Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

0,8П

Минерализация водного раствора, кг/м3

Рис. 4.16. Графики зависимости количества «высаливаемого» газа из водного раствора при росте минерализации (N2 — 90 %, СН4 — 10 %, Рщ, = 8,0 МПа, / = 62 °С).

аналогичный количественной оценке объемов газов, выделявшихся в сво­ бодную фазу при падении пластового давления водных растворов. Все расчеты были выполнены для водных растворов NaCl, минерализация ко­ торых составляла соответственно 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 и 500 кг/м3. Результаты выполненных расчетов представлены в виде графиков на рис. 4.16. Как видно из рис. 4.16, рост минерализации водных растворов сопровождается увеличением объема «высаливаемого» газа, и при концентрации 500 кг/м3 NaCl «высаливанию» подвергается до 80 % растворенной газовой смеси (N2 — 90 %, СН4 — 10 %). При увеличении минерализации водного раствора до 300 кг/м3 может быть «высолено» 0,54 м3 газовой смеси азот — метан из 1 м3 раствора.

Эффект «высаливания» газов из водных растворов при росте кон­ центрации солей может быть оценен и по величине значений коэффици­ ента активности растворенного газа. С повышением концентрации солей растворимость газов уменьшается, а коэффициент их активности возрас­ тает и служит мерой «высаливания». Скорость изменения коэффициента активности с повышением концентрации солей в растворе различна для определенных газов. Так, для азота скорость изменения коэффициента активности является максимальной. Следовательно, при эпигенетиче­

ских преобразованиях соляных пород III калийного горизонта под воз­ действием газонасыщенных водных растворов при росте их минерализа­ ции в свободную фазу из раствора будет переходить в первую очередь азот. Этот факт подтверждается и экспериментальными данными по оп­ ределению состава свободных газов в очагах ГДЯ. Содержание азота в свободных газах достигало 95-99 %. Однако по величине коэффициен­ тов активностей растворенных газов нельзя определить количественные значения объемов газов, «высаливаемых» из водного раствора.

Следует отметить еще один весьма важный момент в процессе дега­ зации водных растворов при увеличении их минерализации. Если рост минерализации водного раствора будет происходить в замкнутом объе­ ме, например, тектонической трещине или глинистом прослойке, то пе­ ресыщение в водном растворе газовой смеси может привести к росту уп­ ругости растворенных газов и послужить причиной образования ано­ мально высокого пластового давления. Образование аномально высоких пластовых давлений водных растворов может привести к гидроразрыву соляных пород и расширению системы сообщающихся пустот, способ­ ствовать инъекции рассолов в соседние микрорезервуары и приводить к ускорению процесса формирования свободной газовой фазы и в конеч­ ном счете к образованию очагов газодинамических явлений. Пластовое давление в такой замкнутой системе может превысить начальное в 1,75 раза [165, с. 124]. По-видимому, с подобными замкнутыми участ­ ками в массиве соляных пород связаны очаги таких ГДЯ, как обрушения пород кровли и отжимы призабойной части пород.

Таким образом, результаты выполненных исследований убедитель­ но показали, что источниками свободных газов в очагах ГДЯ служили газонасыщенные водные растворы, мигрировавшие из нижележащей толщи пород. Дегазация газонасыщенных водных растворов происходи­ ла условно в две стадии. Первая стадия дегазации включала выделение растворенных газов в свободную фазу за счет снижения пластового дав­ ления водных растворов. При этом объем газов, выделявшихся из рас­ твора в свободную фазу, был пропорционален разности пластовых дав­ лений в области питания и разгрузки действовавшей гидродинамической системы. Так, при снижении пластового давления в области разгрузки на 25,0 МПа количество газа, выделившегося в свободную фазу, могло дос­ тигать 1 м3 на 1 м3 водного раствора. На второй стадии дегазация газона­ сыщенных водных растворов происходила вследствие роста их минера­

лизации при растворении соляных пород III калийного горизонта. При этом объем газов, «высаливаемых» в свободную фазу, мог достигать ве­ личины 0,69 м3 на 1 м3 водного раствора. При достижении водными рас­ творами предела насыщения солями в свободную фазу могло выделяться до 80 % растворенных газов. Компонентный состав свободных газов очагов ГДЯ будет определяться в основном величиной коэффициентов активностей растворенных газов. Максимальное значение коэффициен­ та активности среди растворенных газов имеет азот, поэтому и в очагах ГДЯ его содержание должно быть превалирующим.

4.5. Механизм образования очагов газодинамических явлений

С позиций флюидогеодинамики физико-геологический механизм об­ разования очагов газодинамических явлений в условиях Старобинского месторождения рассматривается как единый процесс тектогенеза, восхо­ дящего движения газонасыщенных водных растворов, эпигенетических преобразований пород III калийного горизонта и аккумуляции газов в со­ ляном породном массиве [168, 169]. Образование очагов ГДЯ происходи­ ло в катагенетическую стадию формирования месторождения. На катагенетической стадии эволюции месторождения его гидродинамический ре­ жим характеризовался блочно-тектоническим типом разгрузки седиментационных водных растворов подсолевых отложений и глини­ сто-карбонатных пород внутрисолевых отложений. Движущей силой вос­ ходящей миграции водных растворов служило достаточно высокое пла­ стовое давление. Миграция агрессивных газонасыщенных водных раство­ ров в породы III калийного горизонта из подстилающей толщи происходила по зонам разрывных тектонических нарушений, которые об­ разовывались над стыками блоков кристаллического фундамента в перио­ ды активизации тектонических подвижек. Тектоническая схема физи­ ко-геологического механизма образования очагов газодинамических яв­ лений в породах III калийного горизонта представлена на рис. 4.17. Внутреннее строение зон разрывных тектонических нарушений на флан­ гах по восстанию играло значительную роль в механизме образования очагов ГДЯ. Многократное чередование относительно пластичных и хрупких пород в геологическом разрезе толщи, подстилающей III калий­ ный горизонт, создавало благоприятные условия для веерообразного рас­ щепления разломов вверх по восстанию с образованием структур типа «конского хвоста». Такое расщепление связано с преломлением разрывов

гократно регистрировались случаи преломления и расщепления тектони­ ческих трещин на литологических разностях соляных и глинистых пород. В целом амплитуды разрывных тектонических нарушений затухали вверх по разрезу осадочной толщи. Если в породах кристаллического фунда­ мента и верхнепротерозойских отложениях разлом был представлен круп­ ным тектоническим швом, то вверх по восстанию в осадочной толще он, постепенно расщепляясь, переходил в серию параллельных крупных тре­ щин. В таких веерах создавалась высокая удельная трещиноватость круп­ ных трещин, а в местах сочленения крупных трещин возникали зоны кли­ новидной формы с высокой удельной мелкой трещиноватостью. В любом случае проникновение проводников водных растворов из подстилающей толщи в породы III калийного горизонта являлось обязательным условием при образовании очагов ГДЯ. Здесь следует отметить один очень важный момент. Проникновение водных растворов из подстилающей толщи в по­ роды III калийного горизонта будет происходить по трещине и через тре­ щину. Трещина по пропускной способности неоднородна, поэтому ско­ рость движения и расход раствора вдоль трещины неодинаковы. На тех участках, где скорости и расход больше, стенки трещины будут разру­ шаться более интенсивно, а в соляных породах при движении агрессив­ ных растворов стенки трещин будут еще и растворяться. Поэтому места выхода мигрирующего водного раствора будут постепенно локализовать­ ся сначала в нескольких точках, а затем и в одной. Таким путем могла про­ исходить трансформация щелевого канала в трубообразный. Естественно, что в местах пересечения двух или нескольких тектонических трещин об­ разование округлых каналов будет происходить значительно быстрее. Развивая дальше эти положения, можно предполагать, что очаги газодина­ мических явлений в породах III калийного горизонта буду!' группировать­ ся на участках, наиболее проницаемых при восходящей миграции газона­ сыщенных водных растворов. Такими проницаемыми участками могли быть следующие зоны: искривления разрывов по простиранию и восста­ нию, расщепления разрывов на ряд ветвей, отщепления от разрывов опе­ ряющих трещин, сопряжения разрывов двух или более направлений, пере­ сечения разрывов, развития сближенных параллельных трещин. Тектони­ ческие трещины, распространяясь вверх по разрезу, вскрывали горизонты, содержащие газонасыщенные водные растворы. В дальнейших рассужде­

ниях опустим петрологическую и геохимическую части истории возник­ новения горизонтов пород, содержащих газонасыщенные водные раство­ ры, и примем за исходный элемент построений некоторую область, в кото­

рой твердые горные породы содержат межзерновые, поровые и капилляр­ ные скопления газонасыщенных водных растворов. Такая область являет­ ся капиллярно-пористой системой. Подвижная ее часть может быть удале­ на, после нее остается лишь пористая масса. Газонасыщенные водные рас­ творы принимают на себя, как и твердые частицы, горное давление и поэтому сохраняют потенциальную пористость пород практически на лю­ бой глубине. Поскольку коэффициент диффузии зависит от размера зерна и при одной и той же пористости выше у более крупнозернистых пород (размеры зерен влияют на скорость диффузионного потока больше, чем пористость), наиболее благоприятной, с этой стороны, «очаговой» средой являются крупно- и среднезернистые метаморфические породы. Наибо­ лее важной и типичной в геологическом отношении элементарной моде­ лью области питания гидродинамической системы может служить капил­ лярно-пористая область пород, содержащая газонасыщенные водные рас­ творы и в пределах которой раскрылась тектоническая трещина. В этом случае внутри области достаточно нагретых флюидизированных масс воз­ никнет перепад давления и температуры (рис. 4.18). Возможные в геоло­ гических условиях величины такого перепада были приблизительно вы­ числены [106, с. 42]. Оказалось, что мгновенное увеличение объема вдвое ведет к мгновенному снижению давления в 2,5-3 раза и снижению темпе­ ратуры на 20 %. При увеличении объема в четыре раза температура сни­ жается более чем в два раза, а давление — почти в 10 раз. В связи с возник­ шими перепадами давления, температуры и массосодержания подвижных сред в породе начнется приток газонасыщенных водных растворов из ок­ ружающей массы в трещинную зону, поддерживаемый его оттоком по трещинной зоне вверх, в результате вертикального градиента тех же пара­ метров. Таким образом, раскрывшаяся трещина концентрирует в себе га­ зонасыщенные водные растворы и является областью их транзита вверх по геологическому разрезу. Удаление в первый период движения из круп­ ных пор газонасыщенных водных растворов, которые воспринимали гор­ ное давление не давая порам уменьшаться, приведет к уменьшению пор и к увеличению общего количества микропор, через которые в дальнейшем и будет проходить главная масса растворов. Новое раскрытие трещины может привести к повторению стягивающего эффекта (см. рис. 4.18, III). Однако при этом количество стягивающихся в трещину газонасыщенных водных растворов будет уже меньше, чем при первоначальном раскрытии. Процесс стягивания в трещину газонасыщенных водных растворов явля­ ется самозатухающим. Повторение его через продолжительные проме-

р{«р>

т]«т,

Рис. 4.18. Элементарные схемы массообмена при формировании зоны пита­ ния гидродинамических систем: (I — исходное положение; II — раскрытие трещины; III — повторное раскрытие трещины); 1 — газонасыщенные вод­ ные растворы в исходной капиллярно-пористой системе; 2 — трещина; 3 — направление главного массообмена; Р — внутрипоровое и внутритрещинное

давление; Т— температура

жутки времени может несколько оживить деятельность гидродинамиче­ ской системы и привести к появлению поздних слабовыраженных следов ее деятельности. Если при метаморфизме пород процессы генерации газо­ насыщенных водных растворов повторялись, то могло происходить возобновление стягивающего действия трещинного механизма. В этом

отношении глубинная зона разлома, влияя на формирование зон метамор­ физма и гидродинамических систем, представляла своего рода «тектони­ ческую машину», которая генерировала потоки газонасыщенных водных растворов и определяла унаследованность плана заложения очагов ГДЯ в породах III калийного горизонта.

Областями питания — источниками газонасыщенных водных рас­ творов служили породы кристаллического фундамента, верхнепротеро­ зойских, подсолевых, межсолевых и внутрисолевых отложений. По структуре областей питания гидродинамическая система может быть представлена «бусовидной» моделью (см. рис. 2.1, V). «Бусовидная» мо­ дель предусматривает наличие нескольких областей питания. Следует отметить, что нахождение областей питания гидродинамической систе­ мы в межсолевых и подсолевых отложениях является наиболее вероят­ ным. Это утверждение основывается в первую очередь на установлен­ ном факте существования газонасыщенных водных растворов в данных частях геологического разреза и в настоящее время, а также сходном компонентном составе газовых смесей в водных растворах и очагах ГДЯ. Однако эти факты не отвергают возможности существования областей питания на уровне верхнепротерозойских отложений и пород кристалли­ ческого фундамента. В общем случае газонасыщенные водные растворы поступали в области транзита из нескольких областей питания. Мигри­ руя вверх по областям транзита, газонасыщенные водные растворы дос­ тигали пород III калийного горизонта, где происходило их поглощение.

Области поглощения гидродинамических систем в породах III ка­ лийного горизонта и являются очагами газодинамических явлений. Фор­ мирование очагов ГДЯ в породах III калийного горизонта представляло собой весьма сложный процесс галогенного метасоматоза, сопровождав­ шегося эпигенетическими преобразованиями пород и выделением рас­ творенных газов в свободную фазу. Эпигенетические преобразования пород III калийного горизонта связаны с химическим воздействием аг­ рессивных водных растворов. Химический фактор эпигенеза пород III калийного горизонта является наиболее мощным фактором, посколь­ ку соли обладают очень высокой растворимостью в водных растворах. Количественная оценка агрессивности водных растворов относительно пород III горизонта показала, что взаимодействие растворов с породами могло сопровождаться выщелачиванием и замещением последних. Так, при концентрации NaCl в растворе 70,0 кг/1000 кг Н20 для выщелачива­

ния 1 м3 пород необходимо 5,4 м3 водного раствора, а при насыщенном по NaCl растворе — 20,0 м3. Агрессивность водных растворов будет мак­ симальной относительно карналлита, так как он обладает наибольшей растворимостью по сравнению с сильвинитом и галитом. При миграции водных растворов в породах глинисто-карналлитовой пачки образовыва­ лись наибольшие по объему полости и пустоты выщелачивания, в кото­ рых происходила аккумуляция свободных газов.

Галогенный метасоматоз при образовании очагов газодинамических явлений обладает рядом специфических особенностей. Известно, что ти­ пичный элементарный акт метасоматоза состоит из образования микро­ полости и ее заполнения. По этой схеме отношения между полостеобразованием и заполнением полостей равновесны, что определяется форму­ лой замещения «объем на объем». Однако в случае воздействия на породы III калийного горизонта агрессивных водных растворов происхо­ дит их выщелачивание и возникают неравновесные отношения. В част­ ности, отношения становятся такими, при которых объем образующихся полостей превосходит объем отлагающегося вещества. В случае, когда выщелачивание в ходе метасоматического акта сопровождается образо­ ванием пустот с суммарными объемами, превосходящими объем одно­ временно выпавших осадков, возможно два пути их дальнейшего разви­ тия. Пустоты могут быть заполнены при более поздних процессах отло­ жения минералов или произойдет их ликвидация вследствие сжатия пород под действием горного давления («метасоматическая контрак­ ция»). Как показывают результаты вскрытия выбросоопасных геологи­ ческих нарушений — мульд, при их образовании происходила «метасо­ матическая контракция» пород. Галогенный метасоматоз является пре­ вращением одного соляного твердого тела в другие под действием процессов, протекающих в граничной фазе при воздействии водных рас­ творов. Модель системы, в пределах которой происходит превращение или переход «твердое в твердое», при галогенном метасоматозе может быть представлена трехзонной моделью: «первичная объемная твердая фаза — рабочая граничная фаза — вторичная объемная твердая фаза». Главным рабочим органом при таком переходе является граничная фаза. Как рабочий орган функциональной системы галогенного метасоматоза граничная фаза может быть разделена на три основные функциональные зоны: забойную, обменную и конденсационную. Забойная зона распола­ гается на границе с первичной объемной твердой фазой. Работа забойной зоны состоит в химической деструкции первичной твердой фазы и пере­

воде материала из неподвижного в подвижное состояние. Конденсаци­ онная зона располагается на границе с вторичной объемной твердой фа­ зой. Ее работа состоит в конденсации нового вещества и превращении его в объемную твердую фазу. Обменная зона располагается между за­ бойной и конденсационной зонами, захватывая их частично. Ее работа состоит в обеспечении взаимного обмена вещества между ними и обмена между деструктивными и конструктивными зонами метасоматоза, а так­ же внешними по отношению к ним источниками питания и резервуарами для избыточного материала. Координированная работа всех трех основ­ ных зон функциональной системы метасоматоза, т. е. зонная работа гра­ ничной фазы, и определяет физическую сущность метасоматоза. Вместе с тем все три крайние функциональные зоны рабочей граничной фазы могут действовать независимо или может преобладать работа одной из зон. Если преобладает работа забойной функциональной зоны, произво­ дящей растворение с выносом материала через обменную зону, то проис­ ходит «канализирующее деструктивное замещение». В объемной твер­ дой фазе развивается система вторичных микро- и макрополостей, свя­ занных в канальную растворопроводную сеть. Порода в этом случае подвергается деструкции. Если же в системе метасоматоза преобладает работа конденсационной зоны, а работа забойной зоны является слабой, то происходит заполнение существующих полостей твердыми продукта­ ми конденсации. Здесь некоторый суммарный объем породы меняет свой средний состав за счет новых материалов, заполняющих ее внут­ ренние пространства. Тогда метасоматоз ведет к формированию микро- и макротел выполнения, формирующихся в микро-, макропорах и тре­ щинах. Предельные возможности процесса, представляющего собой яв­ ление закупорки или запечатывания пор и трещин новообразованным твердым веществом, обусловлены размерами существующего внутрен­ него объема породы. Рассмотрим третий случай, когда главную работу в функциональной системе метасоматоза производит средняя зона меж­ ду забойной и конденсационной — обменная. Это возможно, когда рабо­ чий флюид — водный раствор — химически и физически неактивен или экранирован адсорбционными слоями от объемной твердой фазы. Систе­ ма приобретает чисто транзитный характер и, по существу, перестает быть метасоматической. Она может стать метасоматической, если дви­ жущийся пересыщенный раствор вступит в стадию кристаллизации. В этом случае «экранированный транзит» может перейти в метасоматоз с образованием жил или трещин выполнения.