Общая гидрогеология

Гидрогеология – наука о происхождении, распространении, физико-химических свойствах и законах движения подземных вод в земной коре. Вода является активным постоянным и необходимым спутником углеводородов в формировании залежей. В месторождениях углеводородов вода находится в тех же пластах-коллекторах.

Вода Н₂О — простейшее устойчивое соединение водорода с кисло­родом. Она состоит из 11,19 массовых процентов водорода и 88,81% кислорода. Однако вода состоит не только из отдельных молекул Н₂О, но содержит также агрегаты моле­кул с общей формулой (Н₂О)_n, например (Н₂О)₂, (Н₂0)₃, и т. д.

Вследствие наличия трех изотопов водорода — ¹Н (протия), ²Н (D - дейтерия), ³Н (Т - трития) и шести изотопов кислорода (¹⁴О, ¹⁵О, ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О, ¹⁹О) имеются 36 изотопных разновидностей воды, из которых девять включают только стабильные изотопы (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О) и со­держатся в природной воде. Часть изотопов радиоактивна: О¹⁴, О¹⁵, О¹⁹ и Т. Изотопные разновидности воды, в которых обыч­ный водород (протий) замещен дейтерием, называются тяжелой водой. Тяжелая вода содержится в природной воде в среднем в количестве 0,02%.

Молекула воды имеет вид треугольника, вершина которого занята ядром кислорода, а два остальных угла — атомами водорода.

Рис. 6.1. Строение молекулы воды

В молекуле воды образуется 5 электронных пар (всего 10 электронов). Одна электронная пара образует гелиевую замкнутую конфигурацию вокруг ядра кислорода. Две электронные пары осуществляют ковалентную связь между кислородом и двумя атомами водорода. Остальные две пары направлены в сторону, противо­положную направлению связей с водородом. Поэтому в молекуле воды образуются 4 полюса зарядов в виде тетраэдра. Из них два от­рицательных, созданных избытком электронной плотности вблизи атома кислорода, и два положительных, образованных недостатком электронной плотности в местах расположения протонов. Отсюда возникает дипольный момент молекулы воды, равный 1,86 D.

Молекулы воды в структуре льда соединяются Ван-дер-Вааль-совыми связями и дополнительно водородной связью. В целом кристаллическая структура обычного льда более рыхлая, чем жидкой воды. В молекулах жидкой и кристаллической воды разные углы между направлениями на атомы водорода. С этим связана более высокая плотность воды в жидком состоянии, чем в твердом. При температуре +4 °С плотность чистой во­ды наиболее высокая - 1,00 г/см³. При температуре 0 °С плотность увеличивается с 0,9168 до 0,99987г/см³.

При высоких давлениях и низких температурах образуется 5 полиморфных модификаций льда с плотностью более высокой, чем у воды. Существует лед, плотность которого близка к 1,5 г/см³, а темпера­тура плавления равна +192 °С. Превращаясь в пар при нормальном ат­мосферном давлении, вода увеличивает­ся в объеме в 1700 раз.

Химически чистые воды (¹Н₂ ¹⁶О) в природе не встречаются. В состав вод входят молекулы с изотопами кислорода и водорода, в воде растворены соли, газы, различные химические элементы, органические вещества, содержатся дисперсные взвешенные частицы.

Минеральные вещества в воде представлены анионами и катионами Сl^-, SО₄^2-, НСО₃^-, СО₃^2-, ОН^-, NО₃^-, NО₂^-, Н⁺, Na⁺, К⁺, Cа²⁺, Mn₂⁺, Mg⁺ и другими. В воде содержатся так же микроэлементы – иод, бор, бром, медь, марганец, свинец, мышьяк, барий, хром и др. В природных водах всегда присутствуют растворенные в них соли. Содержание солей в граммах на литр воды (г/л ) называется минерализацией. Минерализация вод меняется в широких пределах: до 1 г/л– пресные воды, солоноватые – 1-10 г/л, соленые – 10-50 г/л, рассолы – более 50 г/л. Максимальная минерализация может достигать 500-600 г/л.

Подземные воды, содержащие природные радиоизотопы урана, радона и радия, называются радиоактивными. Единицей измерения урана и радия в водах является грамм на литр (г/л).

Подземные воды попадают в горные породы как в процессе осадконакопления (седиментационные воды), так и в результате последующего проникновения их в уже сформировавшиеся горные породы (инфильтра­ционные воды) и воды, возникающие при перекристаллизации горных пород и минералов (ювенальные).

Инфильтрационные воды, образующиеся за счет атмосферных осадков речных, озерных и морских вод, проникая в пористые пласты кол­лекторов, движутся от зоны питания к зоне разгрузки, вытесняя седиментационные воды. Вследствие смешения вод, а также выщелачивания минералов состав воды при движении по пласту меняется. В соответствии с этим пресные воды по мере удаления от зоны питания и погружения пласта становятся все более минерализованными, пока их состав не становится стабильным. Максимальная минерализация воды тесно связана с интенсивностью движения воды и продолжительностью процесса. Все это накладывает определенный отпечаток на изменение состава воды по отдельному пласту, так и по разрезу.

В разрезах выделяют четыре гидрохимические зоны:

1) зону пресных вод с минерализацией менее 1 г/л;

2) зону солоноватых вод с минерализацией от 1 до 10 г/л;

3) зону соленых вод с минерализацией от 10 до 50 г/л;

4) зону рассолов с минерализацией более 50 г/л.

Залегание этих зон в разрезе может быть различным. Воды первых трех зон являются нормальными, приуроченными к различным частям артезианского бассейна, причем воды третьей зоны наблюдаются на достаточно большом расстоянии от периферии бассейна. Воды четвертой зоны встречаются в разрезах на больших глубинах в застойных гидродинамических системах. Реже встречаются гидродинамические бассейны, где воды характеризуются уменьшением минерализации с глубиной, что объясняется более интенсивным их движением в отложениях вследствие хорошей проницаемости коллекторов.

По преимущественному химическому составу растворенных солей воды подразделяются по присутствию анионов на гидрокарбонатные (НСО₃^-), сульфатные (SО₄^2-), хлоридные (Сl^-), сложного состава. Наиболее распространенным типом вод нефтяных месторождений является гидрокарбонатно-натриевый и хлоридно-кальциевый.

В природных водах нефтяных месторождений также содержится некоторое количество газов и органических веществ, которые представлены органическими кислотами, эфирами, смолами, фенолами, спиртами, углеводородами поступающими из иловых растворов. Газы представлены в воде азотом, углекислым газом, метаном, кислородом, сероводородом, водородом, аргоном, гелием и др. Вода способна растворять многие вещества, в том числе газы. Однако хорошо растворяются в воде те газы, которые вступают с ней в химическое взаимодействие. Обычно же растворимость газов в воде невелика.

Жесткость воды определяются суммарным содержанием ионов кальция и магния. Различают общую жесткость, которая состоит из устранимой (соли выпадает в осадок), и постоянной.

Запись состава вод производят формулой Курлова, дробью - в числителе указывают содержание анионов, в знаменателе – катионов; слева – минерализацию, содержание газов, радиоактивность, справа – температуру, дебит:

Дата добавления: 2015-08-18