Происхождение соленых вод нефтяных месторождений

Известно, что воды нефтяных месторождений резко отличаются от современной морской воды как по количеству содержащихся в них солей, так и по химическому составу этих солей. И все же полагают, что породы-коллекторы отлагались в морских условиях. Для объяснения изменений характера этих вод было предложено несколько концепций; некоторые из них рассматриваются ниже.

1. Наиболее логичным объяснением высокой концентрации растворенных веществ во многих водах нефтяных месторождений представляются явления, связанные с адсорбционным воздействием на воды частиц глинистых минералов как в толщах глинистых отложений, так и в породах-коллекторах [44]. В содержащих кальций глинах, выносимых в океан речными потоками, в результате ионного обмена ионы кальция замещаются ионами натрия. Последние вместе с другими элементами в виде заряженных ионов непрочно присоединяются к углам и краям раздробленных частиц глин. Соленая вода, адсорбированная на этих заряженных ионах, называется водой с распавшимися связями (broken-bond water) (большая часть воды, адсорбированной на иллите, относится именно к этому типу). Способность глины к адсорбции подобной воды увеличивается с уменьшением размеров глинистых частиц. Адсорбируемые ионы, нейтрализующие ионы глин, могут быть как положительные, так и отрицательные в зависимости от заряда ионов глин. Поэтому и Na⁺, и Оˉ, и другие ионы различных солей могут адсорбироваться и концентрироваться на глинистых частицах.

Эти адсорбированные ионы могут быть частично освобождены в результате перекристаллизации глин, цементации и диастрофизма. При возрастании давления способность к адсорбции увеличивается, а при возрастании температуры ‑ снижается, но и давление, и температура повышают растворимость солей в воде. Можно полагать, что конечным результатом всех этих различных процессов будет переход адсорбированных ионов в водный раствор по мере отжимания воды из глин во время их погружения и поступления ее в более проницаемые формации.

2. Наблюдаемое в некоторых случаях высокое содержание растворенных солей в водах нефтяных месторождений, вероятно, объясняется испарением воды во время накопления осадков в замкнутых бассейнах и соответствующим увеличением плотности и концентрации рассолов. Кроме того, соли, заносимые ветрами из прилегающих пустынных районов, могли также попадать в замкнутые бассейны или полузамкнутые морские заливы, впоследствии захороняться и обусловливать первичную высокую соленость этих вод. Хотя подобные факторы и могли влиять на первичные значительные изменения солености, их воздействием невозможно объяснить высокую соленость пластовых вод в формациях, в которых отсутствуют признаки отложения соли. Закономерной связи между концентрацией солей в пластовых водах и солевым режимом бассейнов седиментации не наблюдается.

3. Предполагалось также, что при снижении давления объем свободного газа увеличивается, происходит испарение воды в газ и соответствующее увеличение концентрации остающихся рассолов [45]. Существуют многочисленные данные о выпадении из растворов солей и ряда других минералов при снижении пластового давления в процессе отбора газа и в меньшей степени нефти. Однако количество газа, необходимое для образования таких высоких концентраций, какие часто наблюдаются в коллекторах, столь огромно, что рассматривать этот процесс как сколько-нибудь существенный источник увеличения концентрации солей в водах нефтяных месторождений не представляется возможным [46].

4. Локальные изменения солевого состава вод могут объясняться существованием многочисленных поверхностей несогласия, устанавливаемых в геологических разрезах большинства седиментационных бассейнов. Каждая из этих поверхностей представляет собой границу, где происходит резкое изменение геологических условий и где было возможным смешение разных вод. Некоторые из поверхностей несогласия указывают на такие зоны геологического разреза, где в породы проникали метеорные воды и смешивались с древними пластовыми водами. Другие поверхности несогласия могут соответствовать периодам геологической истории, когда оставшиеся в результате испарения воды рассолы и сухие соли подвергались перераспределению благодаря деятельности ветров и течений и поступали в воды, позже проникшие в подстилающие породы или когда подстилающие поверхность несогласия породы каким-либо иным образом были подвержены воздействию вод с высокой соленостью.

5. Если сильноминерализованные пластовые воды являются реликтовыми, то их высокая соленость может определяться первоначальной высокой соленостью морской воды, в которой отлагались осадки. В настоящее время имеется только очень ограниченное количество данных о составе вод древних морей. В различные периоды геологической истории, например, в океанические воды могли попадать вулканические пеплы, а также газы и обломки пород, выбрасываемых при подводных вулканических извержениях. В результате в локальном масштабе происходило первичное изменение характера океанических вод и их минерализации, что может объяснить некоторые наблюдаемые особенности. Изменчивость свойств пластовых вод в пределах одной и той же геологической формации не позволяет принять первичное увеличение солености морской воды как общую причину высокой минерализации вод нефтяных месторождений, но может помочь в объяснении их некоторых характерных черт.

6. Большинство минерализованных вод нефтяных месторождений содержит главным образом хлористый натрий; отсюда и их название «соленые воды». Примечательным исключением являются залежи Саут-Маунтин и Шилс-Каньон в Калифорнии, где рассолы содержат в основном хлористый кальций [47]. Преобладание этой соли приписывалось вторичному изменению вод в осадках после их захоронения. Полагают, что причиной вторичного изменения явились реакции с нефтью, с отложениями вмещающей формации Сесп (эоцен ‑ олигоцен), имеющими континентальный генезис, а также с вулканогенными осадками, которые могли отлагаться вместе с осадками формации Сесп или телами изверженных пород, интрудировавших породы этой формации. Кроме того, происходили реакции с озерными водами, хлоркальциевые рассолы которых могли сформироваться в результате испарения вод во время отложения осадков.

Нефть

Углеводороды [нафтиды] составляют лишь незначительную часть флюидов, содержащихся в породах-коллекторах, однако для геологов-нефтяников и нефтяной промышленности открытие месторождений и добыча этой небольшой составляющей пластовых флюидов имеет первостепенное значение. С экономической точки зрения нефть во всем мире является самым важным видом углеводородов, представителем нафтидов (petroleum); за ней следует природный газ, а затем газоконденсатные жидкости. Твердые и полутвердые нафтиды имеют в целом подчиненное значение, хотя местами представляют определенную практическую ценность. Химический состав поступающих из скважин жидких нафтидов, или нефти (crude oil), особенно их асфальтово-смолистых компонентов, варьирует в широких пределах; столь же большим разнообразием отличаются и такие их физические свойства, как цвет, плотность и вязкость. В большинстве случаев добываемые нефти маслянисты на ощупь. Они могут быть как непрозрачными, так и полупрозрачными в тонком слое, а окраска их в отраженном свете меняется от бурой до красноватой и желтой со слабым зеленоватым оттенком. Типичные нефти характеризуются консистенцией, средней между консистенциями молока и сливок. Однако если рассматривать нефти во всем их многообразии, то их консистенции весьма изменчивы; с одной стороны, мы имеем бесцветные жидкости, близкие по консистенции к бензину, а с другой - густые, вязкие черные асфальты. Нефти не смешиваются с водой и, за исключением очень редких случаев, когда они обладают более высокой, чем вода, плотностью или сильно загрязнены примесями минеральных веществ, всплывают в ней. Когда нефть достигает устья скважины, из нее в большинстве случаев начинают выделяться многочисленные пузырьки растворенного в ней газа, что связано с падением давления. Нефти растворимы в эфире, ацетоне, сероуглероде, бензоле, хлороформе и кипящем спирте.