Газы, растворенные в подземных водах

13.1.1. Физико-химические параметры газонасыщения подземных вод в зависимости от температуры, давления и минерализации

Подземная гидросфера содержит огромные количества природных газов, среди которых преобладает метан. По предварительным оценкам [Корценш-тейн В. Н., 1984 г.; Зорькин Л. М., 1985 г.] его ресурсы в подземных водах земной коры составляют 10¹⁶÷10¹⁸ м³ .

Природный газ находится в подземных водах в двух основных состояниях: водорастворенном; дис­пергированном.

При достаточном количестве природного газа в пластовых условиях насыщенность подземных вод газом определяется рядом термобарических и физико-химических факторов, влияющих на его растворимость.Главными среди них, помимо состава самого газа, являются температура, давление и минерализация раствора.

При повышении температуры растворимость метана сначала снижается, достигая минимальных значений при 80-90°С, а при дальнейшем увеличении температуры — растет. Характер зависимости растворимости азота от тем­пературы аналогичен. Минимум растворимости гомологов метана смещается в область более низких температур: для этана — 60—80°С, для пропана — 40—60°С, для бутана — 30—40°С. Для углеводородных газов подобный характер зависимости сохраняется при всех изученных давлениях. Для сероводорода температурного минимума не установлено вплоть до 140⁰С.

Повышение давления в общем случае способствует увеличению раство­римости газов в жидкостях. В области низких и средних давлений (примерно до 5 МПа) увеличение растворимости прямо пропорционально увеличению давления, а с дальнейшим повышением давления увеличение растворимости происходит медленнее.

С ростом минерализации раствора наблюдается уменьшение раствори­мости газов, что в большей степени проявляется в области относительно низких минерализации и более выражено у метана и азота по сравнению с менее растворимыми газами. При этом в хлоркальциевых растворах растворимость газа ниже, чем в хлорнатриевых.

Вышеизложенные закономерности получены как результаты экспери­ментальных исследований, проводившихся либо для пресных или слабоми­нерализованных вод в широком интервале температур и давлений, либо для вод различной минерализации, но в небольшом интервале температур [Намиот А. Ю., Скрипка В. Г., 1963—1978 гг.; Мишнина Г. А., 1961 г.]. Данные по растворимости газов в сильноминерализованных водах для жестких термобарических условий получены расчетным путем [Баркан Е. С. и др., 1984 г.]. Результаты расчетов позволили выявить общий характер изменения газонасыщенности подземных вод с глубиной для различных геотермических градиентов в водах с различной минерализацией. Ход кривой растворимости метана до глубины 4 км в водах любой минерализации сравнительно однотипный — происходит увеличение газоудерживающей спо­собности воды: в пресных водах — до 6 м³/м³ , в рассолах — до 3 м³/м³ . Начиная с глубины 4 км в водах с минерализацией до 200 г/л метаноемкость увеличивается интенсивно, а с минерализацией более 250 г/л — очень незначительно, и можно ожидать, что в высокоминерализованных водах (400÷500 г/л) с глубин 5,5—6,5 км метаноемкость будет не увеличиваться, а уменьшаться. Характер выявленных закономерностей в общем сохраняется и в условиях АВПД.

Таким образом, чем глубже расположена газопродуктивная толща, меньше минерализация воды и выше геотермический градиент, тем большие объемы газа находятся в водорастворенном состоянии.

Второй формой нахождения природного газа в подземных водах является так называемый диспергированный газ(ДГ), т. е. газ, находящийся в пластовых условиях в свободном фазово-обособленном состоянии, но обладающий нулевой фазовой проницаемостью. Объем его может составлять от 0 до 5—20% от объема пустотного пространства, Первоначально запол­ненного водой, и зависит от условий его образования. Содержание ДГ в подземных водах увеличивается с ростом температуры и давления, причем в возможных термобарических условиях осадочного чехла определяющее влияние на содержание газовой эмульсии оказывает давление [Баркан Е. С, Тихомиров В. В., 1982 г.]. Для 5—10% относительного содержания дис­перснойфазы увеличение газового фактора подземных вод может достигать 5—30 м³/м³, а предельная газоемкость (с учетом и водорастворенного газа) — 50 м³/м³. Газоемкость высокоминерализованных вод также увели­чивается с глубиной, хотя ее значение будет меньше, чем в маломинера­лизованных.