39ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ
А.А. Карцев1, С.Б. Вагин1, Л.А. Абукова2 1РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2Институт проблем нефти и газа РАН, Москва
Нефтегазовая гидрогеология представляет собой один из важнейших разделов гидрогеологии. Теоретическими основами ее являются учения о гидрогеологических условиях генерации, миграции, аккумуляции, консервации и деструкции углеводородов. А поскольку названные условия теснейшим образом связаны с условиями формирования и движения водных растворов в нефтегазоносных толщах, то вполне логично в сферу нефтегазовой гидрогеологии включаются и эти теоретические вопросы.
Следовательно, нефтегазовую гидрогеологию можно рассматривать как гидрогеологию глубоких частей осадочной оболочки Земли, где находится основная часть статических запасов вод литосферы. Отсюда вытекает и определяющее значение нефтегазовой гидрогеологии для гидрогеологии вообще и огромное значение для наук о Земле в целом.
Вышеозначенные процессы, в которых участвуют углеводороды и водные растворы, протекают в осадочных толщах. Водные растворы, взаимодействуя с твердым веществом пород (а также с газами и органическими компонентами), играют важную роль в их формировании и преобразовании, одновременно являясь продуктами литогенетических процессов. Отсюда вытекает целесообразность особого научного направления - литогидро-геологии (а внутри него, как особо важной части - литогидрогеохимии). Литогидрогеоло-гия теснейшим образом связана с нефтегазовой гидрогеологией.
Важнейшей задачей литогидрогеологии, и литогидрогеологии нефтегазоносных бассейнов в частности, является изучение связей между процессами литогенеза, стадийностью и зональностью литогенеза и гидрогеологическими условиями. В качестве стадий литогенеза, последовательно сменяющих друг друга, выделяются: седиментогенез, диагенез, катагенез, подразделяющийся на протокатагенез, мезокатагенез и апокатагенез, затем - метагенез, за которым следует метаморфизм и, наконец, вызываемый геотектонической инверсией гипергенез. С каждой стадией и подстадией литогенеза связаны определенные литогидрогеологические и - соответственно - определенные нефтегазогеологические процессы, определенные генетические типы водных растворов.
Так, на стадии седиментогенеза главную роль играют гидросферные водные растворы (морей, озер и т. п.), преимущественно талассогенные, седиментогенные.
При диагенезе в морских осадках находятся свободные и связанные талассогенные водные растворы.
Характерные для диагенеза гидрогеологические процессы - эксфильтрация водных растворов, элизионный водообмен, выжимание в основном свободных еще талассогенных водных растворов из сильно уплотняющихся илов в песчаные и другие относительно слабо уплотненные слои.
При протокатагенезе в морских отложениях находятся талассогенные водные растворы и преимущественно свободные в коллекторах и связанные в глинах. Для этой под-стадии катагенеза эксфильтрация элизионного характера остается главным гидрогеологическим процессом, но в нем участвуют уже в основном связанные водные растворы, находящиеся в глинах.
При мезокатагенезе в глинистых породах преобладают связанные талассогенные водные растворы, а в коллекторах - генетически связанные с ними растворы, но ещё с преобладанием свободных форм.
Основным типом водообмена здесь остается эксфильтрационный, причем главную движущую роль играет термическая дегидратация глинистых минералов и эксфильтрация водных растворов, формирующихся за счет возрожденных (дегидратационных) вод. В результате примешивания их к талассогенным водным растворам при мезокатагенезе наблюдается появление больших масс относительно слабоминерализованных водных растворов, которые можно обозначить как литогенные (катагенные).
При мезокатагенезе наблюдается обогащение водных растворов углеводородами. К данному этапу приурочена главная фаза нефтеобразования, чем обусловлено совершенно особое значение мезокатагенеза для нефтегазовой гидрогеологии (и геологии!). Вот важнейший пример тесной связи литогидрогеологии и нефтегазовой гидрогеологии! Конец мезокатагенеза - главная фаза газообразования.
Апокатагенез охватывает чрезвычайно большой диапазон условий. Продолжается дегидратация глинистых минералов, появляются новые порции литогенных водных растворов. Количество растворенного метана становится очень большим (до десятков м3 на м3 воды).
За апокатагенезом следует метагенез. Продолжается выделение дегидратационных вод, уже метаморфогенных. В газовом составе водных растворов характерно преобладание СО2.
При гипергенезе перемещение водных растворов идет от зон инфильтрационного питания вглубь литосферы. Гипергенные изменения различны для растворов разного генезиса. Для растворов, сохранившихся от предшествующих стадий литогенеза, характерны разбавление и окисление (в том числе углеводородов), а для «свежих» атмогенных вод, наоборот, концентрирование и восстановление.
Специфические гидрогеологические процессы происходят в НГБ под влиянием магматизма, проявляющегося, например, в виде траппов. Они представлены, с одной стороны, инфильтрацией в осадочные породы растворов из магм и их дериватов, а с другой, ассимиляцией водных растворов магматическими расплавами.
У водных растворов, появляющихся из магм, растворитель в основном ассимилирован прежде из осадочных (и метаморфических) пород!
Из сказанного выше вытекает, что генезис, формирование и изменения водных растворов в литосфере (и в НГБ, в частности) теснейшим образом связаны с литогенетиче-скими процессами. Поэтому и гидрогеологическая зональность тесно связана с литологи-ческой и литогидрогеологической зональностью. Основой выделения литогидрогеологи-ческих зон должны служить стадии и подстадии литогенеза. С такими зонами ассимилируются соответствующие гидрогеологические процессы, а потому эти зоны (и подзоны) необходимо рассматривать как литогидрогеологические зоны. Они характеризуются определенными литогидрогеохимическими и гидрогеодинамическими чертами. Для формирования и размещения литогидрогеологических зон имеют значение историко-геологическое развитие, наличие или отсутствие современного или недавнего преимущественно субаквального осадконакопления. Следует выделять два типа литогидрогеологи-ческой зональности: один - для суши, другой - для акваторий. Характеристика выделенных таким образом литогидрогеологических зон и подзон, представлена в таблице.
В бассейнах, содержащих отложения аридного генезиса, пласты солей, важное влияние на гидрогеохимическую зональность оказывает положение этих пород в разрезе. При нахождении соленосных отложений в верхней части разреза почти весь разрез носит отпечаток аридного седиментогенеза. Если же соленосные пласты располагаются внизу, их влияние минимально и основная часть разреза имеет гумидный облик. Некоторые своеобразные черты гидрогеологической зональности проявляются при «ледовом» типе литогенеза: там имеются криолитозона и зона газогидратообразования. Эти особенности сказы-
ваются в первую очередь на стадиях диагенеза (в условиях моря) и гипергенеза (в условиях суши).
Таблица
Характеристика литогидрогеологических зон
Зона, подзона Водные растворы по преобладающему генезису Ведущие гидрогеологические процессы Гидрогеохимия, воды
Гумидные комплексы Аридные комплексы
Диагенеза Талассогенные Элизионные Соленые и солоноватые Соленые воды и рассолы
Протокатагене-за Талассогенные Элизионные Соленые и солоноватые Соленые воды и рассолы
Мезокатагенеза Литогенные и хемогенные Эксфильтрацион-ные, в т.ч. термо-дегидратационные Соленые и солоноватые Соленые воды и рассолы
Апокатагенеза Литогенные и хемогенные Эксфильтрацион-ные, термодегид-ратационные Солоноватые и соленые воды Соленые воды
Гипергенеза Атмогенные Инфильтрацион-ные Пресные и солоноватые воды Соленые воды и рассолы
Если исключить зону гипергенеза, то общей тенденцией изменения минерализации водных растворов сверху вниз (от диагенеза до апокатагенеза) является ее снижение (см. табл.), особенно в гумидных комплексах. Это - никакая не «инверсия». Рост минерализации вниз, который обычно до сих пор считают выражением «нормальной» гидрогеохимической зональности, характерен на самом деле лишь для зоны гипергенеза. Существование в истории бассейнов древних эпох развития гипергенеза может усложнить и деформировать гидрогеологическую зональность.
Для нефтегазовой гидрогеологии важнейшее значение имеет газовый состав лито-сферных водных растворов. Водорастворенные газы в НГБ, в первую очередь метан и его гомологи, образуют «питательную среду» для газовых залежей и в значительной мере для богатых газом нефтяных залежей. Но они в определенной мере и пополняются за счет за-
лежей. Изучение водорастворенных газов нефтегазоносных толщ дает много материала для понимания процессов аккумуляции и деструкции УВ и для решения ряда практических вопросов в области поисков, разведки и разработки залежей.
Среди газов в водах НГБ преобладают обычно метан, иногда- углекислый газ либо азот, очень редко - сероводород. Среди акцессорных газовых компонентов следует отметить гомологи метана, аргон и гелий. Если посмотреть на распределение преобладания отдельных названных газов по литогидрогеологическим зонам, то увидим преобладание метана, как правило, в зонах и подзонах диагенеза, прото- и мезокатагенеза, с прогрессирующим в этом направлении ростом общей газонасыщенности вод, тогда как в низах подзоны мезокатагенеза и в подзоне апокатагенеза нередко преобладание диоксида углерода и (или) азота. В зоне гипергенеза при относительно невысокой общей газонасыщенности могут преобладать (вместе или по отдельности) все три названных выше главных газа.
Переходя к вопросам гидро(флюидо)динамики нефтегазоносных бассейнов, следует в первую очередь обратить внимание на геогидро(флюидо ^динамические системы (ГГДС). По нашей классификации выделяются ГГДС: безнапорные, напорные-инфильтрационные, элизионные литостатические, элизионные геодинамические, экс-фильтрационные термодегидратационные и, наконец, депрессивные или телионные.
Связи между ГГДС и гидрогеологической зональностью представляются в следующем виде. В зонах (и подзонах) диагенеза, протокатагенеза и частично мезокатагенеза находятся элизионные литостатические ГГДС, также в подзоне мезокатагенеза, особенно в нижней ее части, и в подзоне апокатагенеза - эксфильтрационные термогидратационные ГГДС, в зоне гипергенеза - инфильтрационные водонапорные и безнапорные ГГДС. Геодинамические ГГДС азональны. Наконец, депрессивные (телионные) ГГДС, по-видимому, встречаются при переходе от катагенеза к гипергенезу (осадочный диафторез).
Разные типы ГГДС характеризуются различными особенностями движения жидкостей. Так, для инфильтрационных ГГДС типично фильтрационное перемещение (иногда -десцедентное). В эксфильтрационных ГГДС существенное значение имеют диффузионные, концентрационно-конвекционные формы движения, а в короткие периоды и на отдельных направлениях (преимущественно субвертикальных) - перемещения типа флюа-ционных прорывов и перетоков.
1 Термин «флюид» широко применяется в науках о Земле, но в физике не используется.
В геодинамических ГГДС (относительно ограниченных в пространстве и во времени) последние формы, по-видимому, типичны.
Проблемы выявления гидрогеологических условий миграции, аккумуляции, консервации и деструкции нефти и газа, как было сказано в начале статьи, являются центральными в нефтегазовой гидрогеологии. Процессы генерации, миграции, аккумуляции, рассеяния и распада УВ от начала и до конца происходят в среде, одним из важнейших компонентов которой являются водные растворы. Роль последних как фактора, созидающего и разрушающего скопления нефти и газов, очень велика и иногда может считаться решающей.
Следует выделять активную и пассивную роль гидрогеологических условий, водных растворов в вышеперечисленных процессах. Пассивная (но только отчасти пассивная!) роль заключается в том, что водные растворы являются частью среды, где идут эти процессы. Активная роль представляется как транспортирующая (иногда удерживающая) функция при формировании и разрушении залежей нефти и газов.
Существуют различные представления о механизмах миграции и аккумуляции УВ в водонасыщенных толщах пород.
Так, в качестве состояния вещества называются: истинные растворы, коллоидные растворы, растворы во временно модифицированных и кристаллогидратных водах, эмульсии, микроэмульсии, свободные фазы вместе с водой.
Заметим, что роль перечисленных форм, по-видимому, меняется на разных этапах миграции: от первичной миграции (эмиграции, эвакуации) к миграциям по коллекторам. Снижается роль таких видов, как растворы во временно модифицированной воде, и возрастает роль свободных фаз. При этом следует подчеркнуть, что при миграции УВ в составе двух- и трехфазных потоков главной активной фазой служит водная фаза: именно она, резко преобладая по массе, определяет характеристику гидро(флюидо)динамического поля. В общем все это служит подтверждением образного выражения французского гидрогеолога Брюдерера о воде-гиганте, несущем на плечах карлика - нефть.
Собственно аккумуляция УВ, т.е. отделение их в виде скоплений от водных растворов, происходит под действием ряда факторов: гравитационного (всплывания) - при двух-трехфазной миграции, в ловушках или «на подступах» к ним, литологического, геотермического, сейсмотектонического и, возможно, некоторых других.
В целом этот вопрос подлежит дальнейшему изучению.
Разрушение, как и консервация нефтяных и газовых залежей, происходит в водной среде, и сами литосферные воды вместе с некоторыми из растворенных в них веществами являются основными факторами деструкции. Воды разрушают углеводородные скопления механическими, физико-химическими, химическими и биохимическими путями.
При механическом разрушении (вымывании) залежей нефти и газов на промежуточной стадии могут существовать гидравлически экранированные залежи. При физико-химическом разрушении («растворении»), соответственно, возникают ореолы рассеяния (содержимого) залежи. Названные явления представляют важные объекты изучения и учета в нефтегазопоисковой гидрогеологии.
Явления генерации, аккумуляции и деструкции нефти и газов развиваются на фоне (и во временах) литогенеза, литогидрогеологической стадийности и зональности в ГГДС определённых типов.
Гидрогеологические условия генерации и аккумуляции нефти и газов, консервации, трансформации и деструкции этих веществ специфичны для каждого этапа и каждой зоны литогенеза.
В зоне диагенеза и в подзоне протокатагенеза в рамках литостатических ГГДС, в среде седиментогенных, преимущественно талассогенных водных растворов идут процессы, подготовляющие генерацию и эмиграцию нефти и газа.
К подзоне мезокатагенеза приурочены (в рамках литостатических, а затем и термо-дегидратационных эксфильтрационных, а иногда и геодинамических ГГДС в среде седи-ментогенных и затем литогенных вод) основные процессы генерации, миграции, аккумуляции нефти и углеводородных газов.
В подзоне апокатагенеза в рамках термодегидратационных и частично геодинамических эксфильтрационных ГГДС в среде преимущественно литогенных вод происходит частично дополнительное формирование и трансформация состава газовых скоплений (в сторону неуглеводородных компонентов), консервация и деструкция залежей нефти.
Наконец, в зоне гипергенеза в рамках инфильтрационных ГГДС (в среде с участием атмогенных вод) преобладают процессы деструкции залежей нефти и газов и веществ, их составляющих.
Должно быть совершенно ясно, что в настоящее время в нефтегазовой гидрогеологии очень важное место занимают проблемы техногенеза, техногенных трансформаций гидрогеологических условий и их следствий.
Также должно быть ясно, что техногенез в нефтегазоносных областях проявляется, в первую очередь, при разработке нефтяных и газовых месторождений. В этих условиях в качестве главных типов техногенных процессов можно выделить: инжекционные процессы - привнос вещества в литосферу (в основном водные растворы) и эжекционные процессы - изъятие вещества из литосферы (водные растворы, нефть, газы). Можно выделить ещё и сложные техногенные процессы, совмещающие привнос и изъятие вещества в литосферу и из неё.
При разработке нефтяных и газовых месторождений может происходить: а) истощение водоносных горизонтов (нефтегазоводоносных и водоносных верхних); б) изменение состава водных растворов в нефтегазоводоносных пластах (при закачке посторонних вод и попаданий технологических жидкостей); в) воздействие на верхние горизонты в виде их загрязнения и засоления, а также появления там геогидродинамических аномалий.
Сходные явления возникают при подземном хранении газов и жидкостей и захоронении жидких промышленных отходов (конечно, в первую очередь также при разработке месторождений газов и нефти).
Все эти вопросы относятся к ведению важной прикладной отрасли нефтегазовой гидрогеологии - экологической нефтегазовой гидрогеологии (или нефтегазовой экологической гидрогеологии).
