Классификация вод нефтяных месторождений

По своему генезису воды нефтяных месторождений могут быть разделены на три группы: метеорные, погребенные и смешанные.

Метеорные воды ‑ это воды, которые выпадают в виде дождей и заполняют пористые и проницаемые породы верхних горизонтов разреза или просачиваются сквозь них вдоль поверхностей напластования, по системе трещин и проницаемым прослоям. Воды этого типа содержат связанный кислород, главным образом в виде углекислого газа. Они проникают в породы из вадозной зоны над зеркалом грунтовых вод, где кислород вступает в реакцию с сульфидами, образуя сульфаты, а двуокись углерода входит в состав карбонатов и бикарбонатов. Присутствие карбонатов, бикарбонатов и сульфатов в водах какого-либо нефтяного месторождения указывает на то, что по крайней мере частично эти воды поступили сюда с поверхности. Подобные метеорные воды могут быть генетически связаны с современной поверхностью земли и свидетельствовать о смешении грунтовых вод с водами нефтяных месторождений. Они также могут быть связаны с погребенными поверхностями несогласия, ранее обнажавшимися и подвергавшимися воздействию атмосферных осадков. Характер вод многих нефтяных месторождений в Скалистых горах, например, позволяет предполагать, что они смешаны с метеорными водами [9].

Под погребенными водами (connate waters) первоначально понимали морские воды, в которых отлагались осадки; вероятно, они сначала заполняли все поры. Сомнительно, однако, чтобы воды нефтяных месторождений действительно представляли собой автохтонные [унаследованные] морские воды. В настоящее время погребенными водами называют связанные воды (interstitial waters), находившиеся в коллекторах до вскрытия их бурением [10]. Причиной изменения содержания термина явилось то, что большинство вод в подземных коллекторах совершенно отлично по химическому составу от морских; они, без сомнения, циркулировали и перемещались, а первичные седиментационные воды были, вероятно, полностью замещены другими водами. Большинство вод нефтяных месторождений представляет собой растворы солей или рассолы [в СССР рассолами называют воды с содержанием солей более 3,5%], характеризующиеся значительным содержанием хлоридов, особенно хлористого натрия. Концентрация растворенных твердых веществ в них часто во много раз выше, чем в современной морской воде. Из этого следует, что если содержание растворенных мине­ральных веществ в древних морях было приблизительно таким же, как в современных, то в первичные воды, после того как они проникли в породы, должно было дополнительно поступить определенное количество минеральных соединений.

[Точный перевод термина «connate waters» вызывает большие трудности. В буквальном смысле слова это сингенетичные, или автохтонные, воды, попавшие в осадок одновременно с его образованием и сохранившиеся в нем после его превращения в породу (реликтовые воды). Нередко эти воды называют погребенными. Все перечисленные русские (собственно русские и иноязычные, но принятые в нашей литературе) термины при их букваль­ном понимании создают впечатление об унаследованности в породе вод, когда-то попавших в исходный для нее осадок из бассейна седиментации. Между тем в геологической действительности такого типа реликтовые, или погребенные, воды (если иметь в виду не просто Н₂О, а реальные растворы) относятся к категории редких, так как уже в процессе диагенеза происходят, и иногда весьма существенные, изменения состава сингенетичных (т.е. седиментационных) вод. На поздних этапах диагенеза, а тем более на стадии катагенеза вода выжимается из глинистых осадков в силу их уплотнения. В недрах эта выжатая (элизионная) вода попадает в песчано-алевритовые и другие пористые и проницаемые пласты, являющиеся потенциальными коллекторами, и часто полностью вытесняет содержавшуюся в них «реликтовую» воду.

Как показал проф. А.А. Карцев, в ряде случаев объем воды, вновь поступившей в коллекторы из окружающих глинистых пород, превышает объем «своей» воды в несколько раз.

Один из современных крупных геохимиков, специалистов в области геохимии осадочных образований, Э.Дегенс (США) под «соnnаte waters» понимает только морскую воду, захваченную осадками при их отложениях; вода аналогичного происхождения, но пресная исключается из объема понятия о «соnnаte waters». Проф. А.А. Карцев для «соnnаte waters» в понимании Э. Дегенса предложил термин «талассогенные воды» (примечание редактора в книге Э. Дегенса «Геохимия осадочных образований», 1967, изд-во «Мир», стр. 171-172).

[По смыслу определения «соnnаte waters», даваемому А. Леворсеном в настоящей книге, это связанные воды (interstitial waters» - этот термин иногда переводится как (поровые воды); именно так это трактует и Э. Дегенс). «Cоnnаte waters» - это все воды не являющиеся в полной мере свободными, а в той или иной, хотя бы и очень слабой степени, связанные с породой и. естественно, находящиеся в ее порах. Такие воды, быть может, следовало бы именовать плененнымы, или в переводе с латинского, каптивными].

Смешанные воды оодержат как хлоридные, так и сульфат-карбонат-бикарбонатные соединения. это указывает на их сложную природу, вероятно, метеорные воды смешивались с погребенными водами или частично замещали их в породах. [смешанные воды могут бьтть о6наружены вблизи современной дневной поверхностут или под поверхностями несогласия. Воды нефтяных месторождений могут быть классифицированы также и по условиям залегания на свободные и связанные

Свободные воды. Большинство заленжей нефти и газа встречается в водонасьтщенных проницаемых породах. По генезису свободные воды могут быть метеорными, погребенными или смешанными. Вода, заключенная во взаимосвязаттвой системе пор коллекторов, может рассматриваться как непрерывное единое водное тело, в которое погружены минеральные частицы. Вода служит путем, по которому мигрирует нефть, концентруясь в залежи. В подобншх условиях вода, как и в системе городского водопровода, немедленно начнет перемещаться в сторону любого пункта, где давление снижено. Такие воды называются свободными в отличие от связанных вод.

Связанные воды. Раньше считали, что все поровое пространство нефтегазонасыщенного природного резервуара заполнено только нефтью или газом. Однако позже при изучении образцов керна выяснилось, что вместе с нефтью и газом во всех залежах в различных количествах присутствует связанная (поровая) вода [11]. В настоящее время полагают, что связанная вода сохранилась в породах со времени отложения осадков. Эта вода настолько тесно связана с частицами пород, что она не была вытеснена во время аккумуляции нефти и газа. Связанные воды на практике часто называют «погребенными», однако термин «связанные воды» представляется более предпочтительным, поскольку его употре6ление не требует знания генезиса вод. В нефтегазонасыщенном природном резервуаре основная часть связанной воды абсорбирована минеральными частицами или удерживается капиллярным давлением в тонких капиллярных отверстиях. Связанные воды шрисутствуют во всех природных резервуарах, и по мере уведичения водонасыщенности к подошве залежи они переходят в свободные воды. Именно свободные воды вытесняются нефтью и газом во время аккумуляции залежи.

Количество связанной воды в нефтегазонасьтщенном природном резервуаре редко бывает меньше 10 %, достигая 50 % и даже более от общего объема порового пространства практически во всех скоплениях нефти и газа присутствие связанной воды устанавливается с полной уверенностью [12]. Она была обнаружена в гипсометрически наиболее высокой части природного резервуара, расположеннои на 2000 футов выше ВНК. В образцах керна, взятых в 600 футах выше ВНК на залежи Рейнджли в Колорадо, 50% порового пространства занято связанной водой.

Связанная вода играет особо важную роль в аккумуляции залежей нефти и газа и при разработке месторождений.

1. По-видимому, существует общая взаимосвязь между содержанием связанной воды в природном резервуаре и характером пористости и проницаемости, а также размером зерен в слагающих этот резервуар породах-коллекторах. На фиг. 5-7 можно видеть свойственное множеству природных

Фиг. 5-7. Соотношение между процентным содержанием связанной воды и проницаемостью пород в различных нефтеносных природных резервуарах (Bruce, Wеlge, in Drilling and Production Practice, p. 170, Fig. 9, 1947).

l ‑ Лейк-Сент-Джон; 2 ‑ Луизиана, Галф-Кост (миоцен ‑ уэлла); 3 ‑ Креол; 4 ‑ Синтетик-Алуноум; 5 ‑ Луизиана, Галф-Кост; 6 ‑ Домингьюз, вторая зона; 7 ‑ Хокинс; 8 ‑ Магнолиа; 9 - песчаник Огайо; 10 ‑ Норт-Белридж, Калифорния; 11 ‑ Вашингтон; 12 ‑ Элк-Бейсин; 13 ‑ Норт-Белридж, Калифорния (данные анализов керна); 14 ‑ Рейнджли.

резервуаров общее увеличение процентного содержания воды с уменьшением проницаемости. Количество связанной воды в целом увеличивается также и по мере снижения пористости¹. Эти закономерности частично объясняются следующим. Поскольку большинство осадков преимущественно гидрофильны (см. стр. 416-421: глава 10, смачиваемость, А.Ф.), более тонкозернистые осадки с их гораздо большей площадью поверхности на единицу объема адсорбируют соответственно большее количество воды. Кроме того, капиллярное давление, удерживающее воду, выше в более тонких порах (см. стр. 421-427: глава 10, капиллярное давление, А.Ф.). Эта связь высокого содержания воды с тонкозернистыми отложениями показана также Траском [13],

¹Это обстоятельство само по себе указывает, что было бы неправильно переводить «interstitial waters» как «поровые воды». ‑ Прим. ред.

который установил, что во время отложения осадков вода первоначально занимает примерно 45 % объема порового пространства в хорошо отсортированных мелкозернистых песчаниках, 50 % ‑ в алевролитах, 80 % ‑ в глинах и свыше 90 % ‑- в коллоидах.

В породах-коллекторах с непостоянной пористостью, изменяющейся от очень мелких до крупных пор, большее процентное содержание связанной воды обычно приурочено к более мелким капиллярным пустотам и порам, характерным для глинистых песчаников, в то время как нефть заполняет относительно крупные поры. На фиг. 5-8 показаны два примера этих соотношений для коллекторов в отложениях третичного и мелового возраста (см. также фиг. 10-11). Адсорбированная и связанная вода¹ не играют столь значительной роли в тех нефтенасыщенных природных резервуарах, где размеры пор велики или где коллекторские свойства пород связаны с их трещинова-тостыо. Кристаллические известняки и доломиты чаще, чем чистые песчаники, характеризуются высоким содержанием связанных [плененных] вод и тем не менее дают безводную нефть, так как межкристаллические поры в них, как правило, мельче.

2. Извлекаемые запасы нефти и газа в залежи уменьшаются в результате того, что поровое пространство занято водой. Поэтому, прежде чем оценивать объем порового пространства, которое может быть заполнено нефтью и газом, необходимо установить объем содержащейся в нем воды.

Фиг. 5-8. Диаграмма увеличения водонасыщенности с уменьшением проницаемости песчаников Вудбайн (верхний мел) на месторождении Ист-Тексас и третичных песчаников месторождений Анауак и Томболл в провинции Галф-Кост, Техас (Sсhilthuis, Trans. Am. Inst. Min. Met, Engrs., 127, 132, p. 269).

l ‑ Анауак; 2 ‑ Томболл; 3 ‑ Ист-Тексас.

3. Пластовые воды вместе с растворенными в них минеральными веществами представляют собои химический агент и могут оказывать сильное химическое и физическое воздействие на минералогический состав пород-коллекторов. Особенно сильно это влияние сказывается на глинистых и коллоидных веществах, которые в отдельных случаях могут быть химически весьма неустойчивыми.

¹Автор допускает здесь логическую ошибку, говоря об адсорбированной и связанной воде («adsorbed and interstitial water»), ибо адсорбированная вода представляет собой по меньшей мере частный случай связанной воды. ‑ Прим. ред.

По прошествии определенного периода геологического времени соотношение между водой и глиной стабилизируется и достигается равновесие между содержанием флюидов и вмещающей их средой. Это равновесие может быть нарушено при любых изменениях характера пластовых вод как в результате геологических явлений, так и в результате искусственного введения воды в пласт во время бурения или при применении вторичных методов эксплуатации. При изменении условий в природном резервуаре некоторые глинистые породы могут разбухать, вследствие чего уменьшится или даже полностью исчезнет проницаемость, добыча упадет и могут серьезно пострадать результаты всех работ. Другим фактором, почти совершенно не изученным, но безусловно существующим, является каталитическое воздействие минерализованных

Фиг. 5-9. Схематизированный увеличенный разрез песчаной породы.

Видны песчаные зерна с облекающей их пленкой воды и нефть с растворенным в ней газом, занимающая внутренние части более крупных пор.

пластовых вод на сложные химические и биохимические реакции, происходящие в коллекторских породах.

Пленка адсорбированной воды вокруг гидрофильных минеральных зерен не позволяет нефти, находящейся в порах коллекторов, соприкасаться с частицами самой породы (фиг. 5-9); поверхности раздела между породой и нефтью здесь в действительности не существуют, а имеются лишь контакты нефти с водой. В результате вода как бы играет роль «смазки» для нефти.

В большинстве извлеченных на поверхность нефтей в виде мельчайших кристаллов присутствует каменная соль (NaCl). По-видимому, это частично объясняется осаждением соли из связанных вод коллекторов по мере падения пластового давления во время, эксплуатации залежи. Поэтому остаточные связанные воды будут иметь несколько иной химический состав по сравнению с первоначальными. Для того чтобы содержащиеся в поровом пространстве флюиды вновь пришли в равновесное состояние, требуется некоторое время. Перепад температур и давлений между природным резервуаром в недрах и поверхностью земли также способствует осаждению соли из извлекаемой воды. Однако осаждение соли из воды после удаления ее из коллектора не влияет на концентрацию солей, остающихся в пластовых водах.

Воды нефтяных месторождений с растворенными в них солями представляют собой электролиты, и их удельное электрическое сопротивление уменьшается с увеличением солености. Эта закономерность является основой для интерпретации электрокаротажных кривых удельных сопротивлений. Породы, насыщенные солеными водами, имеют обычно низкое сопротивление, поскольку вода, находящаяся в связанной системе пор и обладающая высокой электропроводностью, маскирует низкую электропроводность самих пород. Даже в некоторых природных резервуарах, заполненных нефтью и газом с низкой электропроводностью, высокое процентное содержание связанной воды со значительной электропроводностью может привести к тому, что высокие сопротивления нефти и газа не отразятся на электрокаротажных кривых, и в результате будет допущена ошибка при выделении нефтегазоносных пластов. Там, где содержание связанной воды в нефтегазосодержащем природном резервуаре ниже 10 %, что отмечается редко, электрическое сопротивление толщи стремится к бесконечности. Измеренное удельное сопротивление оказывается высоким, так как количество воды недостаточно для обеспечения непрерывной связи, а следовательно, и электропроводности между порами, вода в которых находится в виде изолированных капелек [т.е. является плененной водой]. По мере увеличения содержания воды все большее ее количество образует сплошные пленки вокруг минеральных частиц, и отдельные капельки воды приходят в соприкосновение друг с другом. В результате связующие пленки связанной (поровой) воды образуют направленные во все стороны проводящие пути для электрического тока.