Методы гидрогеологических исследований на нефтяных и газовых промыслах

Схема интерпретации имеет только самый приблизительны характер. Особо следует остановиться на радиусе действия даваемых прогнозов. В общем случае прогноз дается лишь для того водоносного горизонта (резервуара), в котором обнаружены растворенные битумы. Но если вообще нефтеносность данного района или даже области до этого не была установлена, наличие битумов в водах, хотя бы одного горизонта, решает вопрос о нефтеносности (но не о промышленной нефтеносности) района и области в целом. Далее не всегда очевидна связь растворенных битумов с нефтью именно того горизонта, где они обнаружены. Этот вопрос решается лишь при учете тектонических условий - при наличии разрывов возможно «вторичное» происхождение растворенных битумов за счет притока вод из нижних горизонтов.

Весьма малым должен быть радиус действия отрицательного прогноза в пределах данного горизонта. Он не должен превышать несколько километров и выходить за пределы площади данного тектонического поднятия (если таковое имеется) или блока, ограниченного разрывами. Судить о состоянии от точки наблюдения до залежи по величине содержания в воде растворенных битумов в общем случае, конечно, невозможно. Не исключено, однако, что при детальной изученности района и его особенностей в некоторых случаях такие задачи (в пределах отдельных площадей) все же могут ставиться.

1.2. Фенолы и их производные

Фенолы -- органические соединения ароматического ряда, в молекулах которых гидроксильные группы связаны с атомами углерода ароматического кольца. Фенолы в воды могут попадать только из нефти. Поэтому их поисковое значение подобно поисковому значению нафтенатов. Различие заключается в основном в том, что количество фенолов и в нефтях и в водах намного меньше количества нафтенатов.

Большинство одноатомных фенолов при нормальных условиях представляют собой бесцветные кристаллические вещества с невысокой температурой плавления и характерным запахом. Хорошо растворяются в органических растворителях, токсичны, при хранении на воздухе постепенно темнеют в результате окисления. Фенол OH (карболовая кислота) -- бесцветное кристаллическое вещество на воздухе окисляется и становится розовым, при обычной температуре ограниченно растворим в воде, выше 66 °C смешивается с водой в любых соотношениях. Фенол -- токсичное вещество, вызывает ожоги кожи, является антисептиком.

Фенолы в водах могут существовать как в свободной форме, так и в виде соединений с металлами (главным образом с натрием) - фенолятов. Многие фенолы и особенно феноляты хорошо растворимы в воде (например, фенолят натрия на 24%).

Свободные фенолы могут существовать как в щелочных, так и в жёстких водах. Последнее обстоятельство сильно увеличивает возможность использования фенолов как показателей нефтеносности. Существующая методика определения фенолов в водах обладает весьма высокой, вполне достаточной для поисковых целей чувствительностью. Исследование распространения фенолов и их производных в водах нефтеносных отложений с целью использования этих веществ в поисковой практике является весьма нужным делом.

1.3. Йод

Йод содержится в водах в виде иодидов, вероятно, главным образом в виде иодида натрия (и, следовательно, входит в состав первой солёности). Йод в водах является важным и давно известным показателем нефтеносности. В отличие от битумов йод в водах не является веществом исключительно нефтяного происхождения: в том или ином количестве он обнаружен почти во всех природных водах. Но решающие значение имеют количественные различия: в большинстве природных вод содержание йода ничтожно. Большая часть йода находится в природных объектах в рассеянном состоянии. Вследствие высокой растворимости, йод редко накапливается, при повышении температуры его растворимость увеличивается, йод широко распространен в природе; встречается в атмосферных осадках; содержится в водах океанов, озер, морей, рек, в подземных водах, разнообразных породах, растениях, организмах. Содержание йода в поверхностных и пресных подземных водах, а также в водах морей и океанов редко превышает десятые доли мг/л. В соленых пластовых подземных водах содержание йода достигает несколько десятков мг/л. Некоторые нефтяные месторождения являются и промышленными месторождениями йода.

Рис. 1. Модель йода

Таким образом, в водах нефтеносных отложений имеет место концентрация йода по отношению к пресным водам в -раз, по отношению к солёным водам и рассолам в -раз. Показателем нефтеносности является не вообще наличие йода в воде, но значительное его содержание, превышающее 1-5 мг/л; этот нижний предел аномальной концентрации не является строго определённым и должен считаться различным в разных условиях.

В водах нефтеносных отложений большая часть йода имеет нефтяное происхождение. Йод, находящийся в нефти, несомненно, имеет своим источником водоросли, концентрирующие этот элемент в своём веществе. В нефти йод находится в составе сложных комплексных органических соединений, являясь комплексо-образователем.

Содержание йода, по-видимому, повышено не только в нефтях, но и в других природных органических веществах. Накоплению йода способствует гидрогеологическая закрытость нефтяных залежей, препятствующая улетучиванию йода. Чёткой связи между содержанием йода и общей минерализацией и метаморфизацией для вод нефтеносных пластов, не обнаруживается, но всё же максимальные концентрации йода известны только в самых метаморфизованных рассолах, отвечающих наибольшей закрытости.

В настоящее время следует считать, что содержание йода в воде, превышающее 5 мг/л, в любых случаях является положительным признаком нефтеносности. Поэтому, например, можно говорить о нефтеносности палеоцена и эоцена (Палеоцен -- геологическая эпоха палеогенового периода. Это первая эпоха палеогена за которой следует эоцен) в районе Ессентуки, где наблюдаются соответствующие величины. Если же воды мало минерализованы, то в ряде случаев и содержание йода меньше 1мг/л следует рассматривать как признак нефтеносности. Вопрос о связи между минимумом содержания йода, ещё являющимся показателем нефтеносности, и минерализацией воды должен явиться предметом особого исследования.

1.4. Аммоний

Аммоний в водах присутствует, по-видимому, главным образом в виде хлорида и входит в состав первой солёности. Во многих отношениях он сходен с йодом. Почти весь аммоний в природных водах имеет органическое происхождение. В водах земной поверхности и в грунтовых водах содержание аммония либо не превышает нескольких мг/л (обычно же оно гораздо меньше), либо аммоний полностью отсутствует. Наличие аммония в этих водах вызывается биохимическими почвенными процессами, а также искусственными загрязнением. Есть основания считать, что с увеличением глубины залегания, закрытости и метаморфизма вод содержание аммония растёт. Источником аммония в водах ненефтеносных отложений является в основном рассеянное органическое вещество пород; сохранению же аммония в водах благоприятствует застойность и восстановительные условия.

Содержание аммония в водах нефтеносных отложений часто превышает 100 мг/л (например, в девонских водах месторождений Второго Баку оно не падает ниже этой величины), иногда достигая 500 мг/л и даже более. Такие большие величины вне нефтяных месторождений нигде не наблюдались.

Рис. 2. Модель катиона аммония

Основная часть аммония в водах нефтеносных отложений имеет нефтяное происхождение. Аммоний попадает в воду при разложении и последующем растворении азотистых веществ нефтей.

Таким образом, так же как и для йода, в водах нефтеносных отложений наблюдается большая концентрация аммония. Поэтому повышенное содержание аммония в воде является признаком нефтеносности.

Так же как и для йода, минимальный предел такого аномального содержания в разных условиях различен. По видимому, он зависит главным образом от степени метаморфизма солевого состава воды. Для глубоко залегающих метаморфизованных девонских расколов Русской платформы аномальным содержанием аммония, указывающим на нефтеносность данного участка, следует считать, по видимому, величину около 100 мг/л. В других случаях подобная минимальная величина может быть значительно меньше. Итак, аномально повышенное содержание в воде аммония является прямым признаком нефтеносности. Вопрос об определении местонахождения залежи нефти на основе содержания аммония в воде решается так же, как и в случае йода.

ГЛАВА 2. КОСВЕННЫЕ ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НЕФТЕГАЗОНОСНОСТИ

Косвенными гидрохимическими показателями нефтеносности являются те растворённые в водах соли и ионы (или определённые сочетания солей и ионов), которые хотя и не представляют собой в общем случае дериватов нефтяного вещества (как нафтенаты, йод, аммоний), но так или иначе связаны с нефтью или с наличием условий, благоприятных для существования нефтяных залежей.

Косвенные гидрохимические показатели нефтеносности разнообразны и разнородны. Их можно разделить на две главные группы. В первую группу косвенных гидрохимических показателей нефтеносности входят продукты и результаты химических реакций между нефтью и растворёнными в водах солями. Сюда относятся:

1) гидросульфиды и другие восстановительные соединения серы;

2) сода.

К этой же группе относится и такой показатель, как бессульфатность воды. Хотя бессульфатность воды тесно связана с наличием в воде сульфидов и других восстановительных соединений серы, являясь обратной стороной этого наличия, рассматривать эти показатели по ряду причин следует отдельно. Общей особенностью указанных показателей является их неоднозначность. В отличие от рассмотренных выше прямых показателей они могут иметь и ненефтяное происхождение.

Вторая группа косвенных гидрохимических показателей представлена такими веществами, которые обычно сопутствуют нефтяным залежам, хотя образуются совершенно независимо от нефти. Они могут указывать только на наличие благоприятных для залежей нефти условий.

2.1. Гидросульфиды и другие восстановленные соединения серы

Восстановленные формы серы являются важными и давно известными показателями нефтеносности. К восстановленным формам серы относят все её соединения, кроме сульфатов. В природных водах встречается несколько восстановленных форм серы. Это будут:

1) гидросульфидный ион (HS?);

2) тиосульфатный ион (?);

3) сульфитный ион (?);

4) молекулярно растворённый сероводород ().

Основное значение имеют гидросульфиды и сероводород. Между этими веществами существует равновесие, связанное с величиной pH воды:

В щёлочных водах может присутствовать гидросульфид натрия, входящий в первую щёлочность, в жёстких - только гидросульфид кальция (иногда магния), входящий во вторую щёлочность. При величине pH6 гидросульфидов в воде быть не может, восстановленные формы серы представлены молекулярно растворённым сероводородом.

Обычно в воде определяется лишь «общий сероводород», т.е. сумма восстановленных форм серы как ионов, так и растворённых газов. Почти все подземные воды со значительным содержанием гидросульфидов (и сероводорода) известны из нефтеносных районов, из нефтеносных отложений. В ряде мест, где издавна были известны только сернистые воды, впоследствии были открыты и нефтяные месторождения («Горячий Ключ», Сергиевск). В Мацесте, например, по мнению некоторых исследователей, залежи нефти существовали раньше, но были разрушены за счёт окисления сульфатами. Наконец, речь идёт не обязательно о промышленной нефтеносности: достаточно наличия даже рассеянной нефти или чисто газовых скоплений.

Образование основной части гидросульфидов и других восстановленных форм серы в подземных водах происходит за счёт реакций между нефтяными углеводородами и растворёнными сульфатами при участии бактерий. Кроме того, эти вещества могут частично образоваться и при разложении сернистых компонентов нефтей.

Образование восстановленных соединений серы в подземных водах за счёт процессов, в которых участвуют нефти и углеводородные газы, и позволяют считать эти вещества показателями нефтеносности и газоносности.

Однако есть гидросульфидные и сероводородные подземные воды, никак не связанные с нефтью. Сюда относятся, во-первых, источники, связанные с магматическими процессами. Типичным примером их являются источники пиренейских курортов Франции. Эти источники, находящиеся в зонах разломов среди метаморфических и магматических пород, характеризуются очень высокими температурами, незначительной минерализацией и совершенно исключительным составом воды - преобладанием кремнезёма при наличии тяжёлых металлов. Такие воды не имеют ничего общего с водами нефтеносных отложений.

Остаётся неясным, может ли восстановление сульфатов в значительных масштабах идти не только за счёт нефтяных углеводородов, но и за счёт других видов природных органических веществ - углей и т.п.

Экспериментальные данные показывают, что не происходит восстановления сульфатов за счёт растворённых гуматов. Однако не следует забывать, что в угольных месторождениях имеется метан, иногда в огромных количествах. Не исключено, что в глубоко залегающих угленосных отложениях восстановление сульфатов может идти за счёт метана.

Таким образом, если исключить области проявления магматических процессов и зоны поверхностных биохимических процессов, значительное содержание в воде гидросульфидов и других восстановленных форм серы можно расценивать как положительный признак нефтегазоносности (в том числе и газа угольного происхождения). Однако следует отметить, что особо большие содержания восстановленных форм серы в водах (200 мг/л) наблюдаются там, где залежи в основном разрушены и уже не имеют большого значения (чокрак, камский кунгур).

Отсутствие гидросульфидов и тому подобных соединений в водах не является признаком отсутствия нефти и газа. Гидросульфиды не могут существовать в водах, имеющих величину pH6, а такими водами являются многие воды нефтеносных пластов. Главная же причина невозможности отрицательных прогнозов заключается в том, что далеко не во всякой нефтяной залежи в заметном масштабе протекает восстановление сульфатов (а также и разложение серосодержащих частей нефти). Следовательно, отнюдь не всегда воды нефтеносных отложений должны содержать восстановленные формы серы.

2.2. Бессульфатность

Отсутствие или очень малое содержание в воде сульфатов является оборотной стороной наличия там гидросульфидов и других восстановленных соединений серы. Сульфаты восстанавливаются нефтью, давая гидросульфиды и подобные им вещества. Поэтому бессульфатность вод также может быть положительным признаком нефтеносности. Этот показатель известен очень давно.

Бессульфатность вод не является однозначным показателем нефтегазоносности. Бессульфатность вод может быть обусловлена и причинами, не связанными с влиянием нефти и вообще с процессами восстановления сульфатов. Такой причиной может быть выпадение сульфатов из раствора, когда их концентрация превышает предел растворимости. В этом случае сульфаты не разлагаются, а только удаляются из воды, переходя в состав пород.

Растворимость сульфатов зависит от характера самих сульфатов и от характера и сочетания других растворённых солей (общего характера солевого состава воды).

Наименее растворимым является сульфат кальция; растворимость его особенно мала при наличии в воде хлорида кальция (т.е. в водах хлоридно-кальциевого типа). Часто такие воды являются практически бессульфатными: сульфаты выпали в осадок. Растворимость сульфатов магния и особенно натрия гораздо больше, чем сульфата кальция.

Таким образом, бессульфатность вод может и не иметь никакой связи с нефтью. Особенно это возможно в случае глубинных рассолов хлоридно-кальциевого типа. Воды земной поверхности и верхних горизонтов земной коры, как правило, имеют значительные содержания сульфатов. Исключение составляют пресные воды в областях развития магматических и совершенно промытых осадочных пород.

Таким образом, бессульфатность вод не всегда можно расценивать как признак нефтегазоносности. В рассолах хлоридно-кальциевого типа этот показатель сам по себе ещё очень мало даёт. То же относится и к пресным водам, дренирующим практически лишённые солей породы, по-видимому, отчасти и к надмерзлотным водам зоны вечной мерзлоты. В остальных случаях данный показатель имеет важное значение.

Наличие сульфатов в водах в общем случае является признаком отсутствия нефти в данных отложениях. Однако отрицательный прогноз допустим далеко не всегда.

Таким образом, сульфатность воды можно считать признаком отсутствия нефти и газа только, если породы не содержат значительных масс сульфатов и нет условий, препятствующих бактериальной деятельности, в первую очередь повышенных температур.

2.3. Сода

Сода (гидрокарбонат натрия) может образовываться при окислении углеводородов сульфатами. Поэтому наличие в воде соды (и, следовательно, принадлежность воды к щелочному, гидрокарбонатно-натриевому типу) может при некоторых условиях рассматриваться как признак нефтеносности. Щелочные воды характерны для многих нефтеносных толщ. По-видимому, основная масса соды в водах нефтеносных отложении образовалась при окислении нефтяного вещества.

Однако сода может появляться в природных водах и другими путями, не имеющими к нефти никакого отношения. Во-первых, щелочные воды характерны тоже для районов развития богатых натрием магматических, метаморфических и некоторых осадочных (аркозовые песчаники) пород. Во-вторых, они встречаются также и в зонах развития солонцов. Наконец, в-третьих, щелочные воды могут быть связаны с вулканическими областями, где сода образуется при участи углекислого газа, поступающего с глубины. Отличить щелочные воды коры выветривания, дренирующие, лишенные солей породы, от щелочных вод нефтеносных толщ сравнительно просто. Первые являются пресными, в их солевом составе преобладает чаще всего гидрокарбонат кальция. Вторые являются солевыми, в их солевом составе преобладает обычно хлорид натрия.

Щелочные воды солонцов обычно можно отличить по условиям их залегания: они могут быть только поверхностными и грунтовыми. Однако возможны и неясные случаи. Это особенно относится к водам вулканических или предположительно вулканических областей (например, Боржоми).

Не вполне ясен также вопрос о возможности образования соды при окислении углей и тому подобных каустобиолитов. В верхних зонах угольных месторождений щелочные воды, по видимому, не встречаются, а если и встречаются, то их щелочность имеет неорганическое происхождение. Однако щелочные воды известны в глубоко залегающих угленосных отложениях, например, в Донбассе. Там сода образуется, по видимому, при восстановлении сульфата натрия за счет метана.

Итак, наличие соды в водах может считаться показателем нефтегазоносности (в том числе газоносности угольных пластов) при условии, если эти воды не являются водами коры выветривания, солонцов или вулканических районов. Отсутствие соды в водах для оценки нефтеносности не имеет никакого значения. Во-первых, если речь идет об источниках, в коре выветривания сода может вытесняться сульфатами. Так, по данным исследовании А.А.Карцева нефтеносные майкопские отложения Закавказья на глубине содержат исключительно щелочные воды; в то же время в вытекающих из них на поверхность источниках воды не содержат соды. Во-вторых, для нефтеносных пластов характерны отнюдь не только щелочные воды, но и воды хлоридно-кальциевого типа.

2.4. Комплексная оценка гидрохимических показателей

Наличие прямых показателей - мыл, йода - и при некоторых условиях таких косвенных показателей, как гидросульфиды и т.п. прямо говорит о нефтеносности. Однако в этом случае нет указаний на благоприятные условия сохранения залежей; нефтеносность может быть непромышленной, залежи могут быть разрушены. Наличие таких косвенных показателей, как в первую очередь хлорид кальция, бром, хлоридная группа и т.п., говорит о благоприятной гидрогеологической и геохимической обстановке. Но нефти (и газа) в данном случае может и не быть совсем.

Только одновременное наличие прямых показателей и косвенных показателей второй группы, например, одновременное наличие в воде хлорида кальция и большого количества йода или наличие нафтенатов в воде хлоридной группы, позволяет утверждать, что наличие промышленных залежей нефти является вероятным.

Схема оценки различных случаев отсутствия и наличия сульфатов в водах Таблица 2.1