НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВАЯ-1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В нефтегазовой гидрогеологии широко распространена классификация В.А. Сулина. В ней все природные воды подразделяются на четыре типа по характерным соотношениям между главнейшими ионами и затем на группы и подгруппы по признаку преобладания различных анионов и катионов. Характерные отношения между ионами, положенные в основу классификации, выражаются тремя коэффициентами, названные генетическими:

Таб-лица 10

Классификация вод по В.А. Сулину

Каждый тип делится на три группы по преобладающему аниону (хлоридную, сульфатную или гидрокарбонатную). По преобладающему катиону группы делятся на подгруппы: натриевую, магниевую и кальциевую; однако подгруппа выделяется только в том случае, если преобладающий катион дает основную солевую массу с преобладающим же анионом.

Типы вод называют генетическими, потому что они приблизительно отвечают определенным обстановкам существования природных вод. Так, сульфатно-натриевый и гидрокарбонатно-натриевый типы отвечают континентальной обстановке формирования вод, хлоридномагниевый - морской, хлоридно-кальциеьый тип - глубинной.

Такое соответствие справедливо лишь в самых общих чертах.

197

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

обеспечить строительство водопровода, необходимо было подсчитать количество воды, протекающее в единицу времени через сечение подрусловой части реки, т.е. расход воды. Для этого А. Дарси проводил опыты на трубках, набитых песком, через которые пропускал воду при различных перепадах давления. На основании проведенных экспериментов им была выведена зависимость, получившая название закона Дарси:

где Q - расход потока; А-д, - коэффициент фильтрации; F - площадь поперечного сечения фильтрующей среды; А Н - перепад напоров; A L - длина участка фильтрационного потока.

Поток воды в опытах А. Дарси проходил в довольно однородной среде, т.е. в трубах, набитых • хорошо отсортированным песком. В реальных условиях трещинно-поро-вое пространство горных пород характеризуется сложным строением. Его геометрия меняется в водоносных пластах и по площади, и по разрезу, поэтому изучение фильтрационного потока представляет большие трудности. В этой связи под фильтрационным потоком принято считать условный поток жидкости через пористую среду (породу).

Хотя реальный поток идет только по открытым (сообщающимся) порам и трещинам, условно допускается, что фильтрационный поток идет через всю породу. К элементам фильтрационного потока относятся пьезометрический напор, напорный градиент, линии напоров, линии тока, скорость фильтрации и расход потока.

Пьезометрический напор подземных вод:

Н= +Z,

Р8

где р - гидростатическое давление в данной точке потока;

р- плотность воды; Z - высота данной точки потока над выбранной плоскостью сравнения; g - ускорение свободного падения.

Отношение у , или hp , называется пьезометрической

высотой. Это высота, на которую должна подняться вода над данной точкой потока под влиянием гидростатического давления р

- 199

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Скорость, фильтрации можно получить, разделив величину расхода потока на площадь поперечного сечения фильтрующей среды:

г=^фг.

Следовательно, скорость фильтрации равна произведению коэффициента фильтрации на гидравлический уклон. Как видно из формулы, закон Дарси указывает на линейную зависимость расхода фильтрационного потока от гидравлического градиента. Параметром этой линейной зависимости является коэффициент фильтрации (&:ф), который зависит как от свойств горной породы,

так и от свойств фильтрующейся жидкости. Свойства фильтрующей среды учитываются с помощью коэффициента проницаемости ^пр и вязкости ^. Физически коэффициент

фильтрации отражает работу сил трения при движении в пористой среде. Коэффициент фильтрации прямо пропорционален проницаемости фильтрующей среды и обратно пропорционален вязкости фильтрующейся жидкости:

k^V. Ф //л

Закон Дарси можно выразить следующим образом:

^'np/7 .

V = —•—I.

^

Среди вод земной коры есть как пресные, так и минерализованные и рассолы. И пресные, и минерализованные воды, и рассолы могут находиться в пределах одного водоносного пласта, одного фильтрационного потока. Таким образом, фильтрующаяся жидкость в пределах одного фильтрационного потока может быть неоднородной по составу и свойствам. Из формулы Дарси следует, что скорость фильтрации обратно пропорциональна вязкости жидкости. Известно, что вязкость природных вод и рассолов прямо пропорциональна их минерализации. Поэтому скорость фильтрации минерализованных вод и рассолов при прочих равных условиях меньше скорости фильтрации пресных вод. Неоднородность свойств жидкости в пределах фильтрационного потока необходимо учитывать и при расчете пьезометрического напора и напорного градиента.

Если иметь дело только с пресными водами, имеющими плотность, равную единице, то можно принимать пьезометри-

-201

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Плоскость сравнения

Рта? ГПг F^q.?

Рис.44. Схема расчета приведенных давлений:

1 - водоносный пласт; 2 - инфильтрация; 3 - направление движения вод; 4 - залежь нефти

ческие высоты равными числено гидростатическим давлениям и непосредственно по статическим уровням в скважинах строить карты гидроизопьез и рассчитывать скорость фильтрации. Но для минерализованных вод и рассолов с плотностью выше единицы, и к тому же различной в разных точках пласта, такой подход приведет к ошибкам в расчетах. Для исключения влияния неоднородностей жидкости определяют приведенный напор или приведенное давление. Существуют несколько методов расчета приведенных давлений (методы А. И. Силина-Бекчурина, В.В. Ягодина, И.К. Зерчанинова и др.).

Наиболее распространен метод А. И. Силина-Бекчурина. Им предложена следующая формула:

/I, -.- Л+Ph ^ . Рпр =(^Р1 + ~Y~ z!),?'

где hi - статический уровень в скважине; р\ - плотность воды в скважине; pf, - плотность воды на выбранной плоскости сравнения; Z\ - высота забоя скважины над плоскостью

сравнения; g - ускорение свободно падающего тела.

Эта формула выведена для условия прямолинейного изменения плотности воды с глубиной.

На рис. 44 показана схема расчета приведенных давлений. В первой скважине Дщ] = (}\ р\ + р\—1- Z; )g, во второй скважине

-202

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.45. Карта приведенных гидроизобар:

1 - выход нефтегазоводоносного пласта на земную поверхность; 2 - гидроизобары, Мпа; 3 - залежь нефти; 4 - линия тока воды; 5 - скважины, по данным которых рассчитаны приведенные давления

(и других) - Дт2=(Й2 р2 + р2 ph Z^}g, в скважине и, через которую

проведена плоскость сравнения, рцрп = ^пРпё •

Ввиду того, что на плотность воды влияет температура пласта, появляется необходимость введения соответствующих поправок. Нужно также учитывать и наличие водорастворенных газов. Методика расчета таких поправок имеется в специальных руководствах.

На основании расчета приведенных давлений строят карту гидроизобар (или гидроизопьез). На этой карте (рис.45) можно показать направления тока, т.е. определить направления движения подземных вод, а также рассчитать гидравлический уклон на любом из участков, или определить среднюю величину гидравлического уклона для всего пласта. Зная величину гидравлического уклона, а также величины вязкости жидкости и проницаемости (определяемые в лаборатории и рассчитываемые), можно подсчитать скорость фильтрации на любом из участков водоносного пласта. Следует однако отметить, что скорость фильтрации v не равна действительной скорости движения

-203

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

подземных вод и, так как она характеризует лишь фильтрационный поток. Средняя действительная скорость движения вод по порам и трещинам в породах будет равна частному от деления скорости фильтрации на коэффициент эффективной пористости т, который равен отношению объема сообщающихся пор ко всему объему породы. Таким образом, действительная скорость движения жидкости будет равна:

v

U =— .

Расход потока можно подсчитать по формуле

Q=Fkпppi,

или, умножив площадь поперечного сечения фильтрующих пород на скорость фильтрации:

Q=vF.

Залежи нефти и газа являются частью нефтегазоводоносных пластов и находятся в гидродинамическом поле, изменения параметров которого влияют на размещение и сохранение скоплений углеводородов. Поэтому изучение гидродинамических условий необходимо при поисках, разведке и разработке месторождений нефти и газа.

8.4. Основы гидрогеотермии

Гидрогеотермия - раздел гидрогеологии, посвященный изучению закономерностей теплопереноса и теплообмена в водоносных толщах земной коры. Гидрогеотермические исследования имеют большое значение, так как позволяют оценить роль природных вод в формировании и распределении теплового поля, т.е. участие природных вод в термическом режиме Земли. С другой стороны, знание температур водных растворов литосферы позволяет использовать воды в энергетических и лечебных целях, а также при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений.

Переходя к общим вопросам гидрогеотермии, необходимо подчеркнуть, что тепловой режим подземных вод зависит от

-204

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

распределения и интенсивности тепла и условий теплопереноса. К внешним (космическим) источникам энергии относится солнечная радиация. Поток солнечной радиации зависит от географической широты местности и изменяется во времени. Большая часть энергии этого потока поглощается Землей, что приводит к периодическому изменению температуры на ее поверхности и в прилегающих слоях. Глубина проникновения солнечной радиации увеличивается с возрастанием амплитуды и периода колебания температуры на земной поверхности. Так, Н.М. Фроловым выделены суточные, годовые и геологические циклы, продолжительностью от земных суток до галактического года.

К внутренним (планетарным) источникам относится, главным образом, энергия радиогенного тепла, образующегося в результате распада радиоактивных элементов (урана, тория и др.). В литосфере теплоперенос осуществляется главным образом за счет теплопроводности и конвекции. Общий тепловой поток q представляет собой сумму кондуктивной <?вд и конвективной q^ составляющих теплопереноса:

^=^кд+^кв-

Кондуктивная теплопроводность горных пород имеет атомномолекулярный характер, возникает в неравновесных системах при наличии градиента температур и описывается уравнением Фурье:

9кд = - /l-gradr,

где <7вд - кондуктивная составляющая теплового потока, (Вт/м2); Л - коэффициент теплопроводности среды, в которой

распространяется тепло, (Вт/м-°С); grad Т - приращение температуры ДГв интервале глубин АЯ (°С/м).

Числено величина К соответствует количеству тепла, проходящему в единицу времени через единицу площади при снижении температуры на 1°С на единице длины и измеряется в Вт/(м-°С). Коэффициент теплопроводности пород К зависит от состава пород, их петрофизических свойств, термодинамических условий и определяется по данным лабораторных исследований. Среди осадочных пород наибольшей теплопроводностью обладают каменная соль, ангидрит, наименьшей - глины. Песчаники, алевролиты, известняки и доломиты имеют среднюю теплопроводность.

-205

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Конвекция - это передача тепла в горных породах движущимся потоком подземных вод. Водные растворы являются важнейшим фактором перераспределения тепла в недрах Земли.

Конвективная составляющая теплопереноса имеет следующее выражение:

^кв = с v t,

где 9кв' конвективная составляющая плотности теплового потока; v - скорость фильтрации, (м/с); с - удельная теплоемкость, Дж/(кг/°С); t -

пропорционально к росту или снижению теплового воздействия вод. Охлаждающее влияние инфильтрационных вод, движущихся из области питания водоносных горизонтов, приводит к появлению гидрогеотермических аномалий отрицательного знака. Под гидрогеотермической аномалией понимается отклонение какого-либо геотермического показателя (температуры, величины теплового потока и т.п.) от значений соответствующих показателей, характерных (фоновых) для данного нефтегазоводоносного горизонта или комплекса. При движении вод из более погруженных частей гидрогеологического бассейна могут возникать гидрогеотермические аномалии положительного знака.

Основными геотермическими параметрами при изучении теплового режима подземнЫх""вод являются геотермический градиент и геотермическая ступень.

Геотермический градиент - прирост температуры на единицу глубины:

r=(?2-fi)/(/i2 -/О,

где г, и ^ - температуры пород, определенные на глубинах ]\ и

hi-

Обычно геотермический градиент относят к интервалу глубин 100 м, в этом случае он выражается в °С/100'м.

Геотермическая ступень - расстояние по вертикали в м, в диапазоне которого температура изменяется на 1 °С:

(7=(/i2-W2-?l).

-206