О дегазации высокотемпературных подземных вод

В. И. Петренко , А. Я. Доготь (СевКавНИИгаз)

«Советская геология», 1990, № 1

Бурение сверхглубоких скважин подтвердило повсеместное присутствие в земной коре свободных вод [2]. Известно, что все подземные воды в той или иной степени насыщены газами [1, 3]. Предполагалось, что с глуби­ной газонасыщенность вод возрастает и приближается к предельной величи­не (при соответствующих Р и Т) ли­бо достигает ее. Основывалось такое предположение на том, что в зоне апокатагенеза и протометагенеза из органического вещества генерируется значительное количество газов, в особенности метана ,[9], а метаморфизм пород также сопровождается выделением значительных объемов газов с превалирующим количеством двуокиси углерода (В. И. Смирнов, 1982). Кро­ме того, при дегазации недр из над­критической области (по воде) в до-критическую поступают большие объ­емы ювенильных газов (М. Ф. Двали, 1973; Г. И. Войтов, 1980).

Анализ обширного фактического ма­териала по глубокозалегающим, в том числе высокотемпературным, водона­порным комплексам, выполненный В. В. Колодием (1983) и В. Н. Корценштейном [3], показал, что вопреки ожиданиям с глубиной возрастает недосыщениость вод газами. Недосыщенность объясняют значительным увели­чением растворяющей способности подземных вод с глубиной и возника­ющим в связи с этим дефицитом га­зов [3]. В то же время имеются оцен­ки, согласно которым количества юве­нильных и метаморфогенных газов, а также газов генерации из ОВ доста­точно для полного насыщения подзем­ных вод и формирования свободных газовых скоплений (Г. И. Войтов, 1980).

Выполненные нами в последнее вре­мя исследования [4—6] позволяют в качестве основного фактора, регули­рующего степень газонасыщенности

высокотемпературных подземных вод, выделить процесс интраиспарения воды вследствие растворения ее в газах при любых Р и Т.

Интраиспарение воды доказано мно­гочисленными лабораторными экспериментами в широком диапазоне темпе­ратур и давлений для различных га­зов (А. Ю. Намиот, 1976). Результа­ты лабораторных экспериментов под­тверждены натурными исследованиями [10]. Так, на Ленинградском газоконденсатном месторождении (Тпл 72 °С) ежесуточно в течение пяти месяцев проводились тщательные замеры вы­носимой газом пресной влаги одновре­менно из всех эксплуатировавшихся скважин. Было установлено полное совпадение значения влагопасыщенности газа, полученного при замерах на месторождении, с влагонасыщенностью, рассчитанной по эксперимен­тальным данным (Г. В. Рассохин и др., 1979). На Мирненском газоконденсатном месторождении (Тпл 144 °С) при изотермическом снижении пласто­вого давления наблюдалось заметное возрастание влагонасыщенпости добы­ваемого газа, предсказанное теоретически на основании результатов упо­минавшихся выше лабораторных экс­периментов А. Ю. Намиота.

В. И. Поповым (1966) теоретически было показано, что при изотермическом снижении пластового давления в газовой залежи на 0,01 МПа дефицит влаги в газе компенсируется за счет испарения остаточной воды за милли­онные доли секунды, т. е. практичес­ки мгновенно.

Нам не известны эксперименты но определению флюидного состава первых пузырьков газа, выделяющихся из воды или из раствора с водой, однако имеется множество косвенных доказательств, позволяющих предполагать, что уже в флуктуациях, явля­ющихся центрами зародышевых пу­зырьков, участвуют молекулы не толь­ко растворенных газов, но и воды.

Так, в процессе высокоточного экс­периментального определения давле­ния насыщения углеводородной жид­кости природным газом [7] было об­наружено возрастание .давления на­сыщения в случае проведения опытов в водонасыщенной пористой среде по сравнению с давлением насыщения в сухой пористой среде. По нашему мне­нию, возрастание давления насыщения обусловлено захватом молекул воды газом при образовании первых пу­зырьков.

Общеизвестно также, что в большинстве флюидных включений в минералах, в том числе в низкотемператур­ных, наряду с газами присутствует во­да (И.Т. Бакуменко, 1971; А.И. Крав­цов, С.Н. Оникеенко, 1975; В.А. Припачкин, 1983; Дж.Доусон 1983; Э.М. Галимов, 1985; В.В. Наумов, В. И. Коваленко, 1985 и др.).

Нами выполнена оценка влияния водяного пара на повышение давления насыщения воды газами и на ускоре­ние сегрегации (всплывания) выде­лившегося из воды пузырька раство­ренного газа. Непосредственно экспе­риментальное изучение указанных про­цессов во всем диапазоне встречаю­щихся в земной коре термобарических условий представляется весьма зат­руднительным. Поэтому прибегли к имитационному экспериментированию на математической модели, описыва­ющей физическую сущность процес­сов, происходящих в растворе, насы­щенном газом.

Моделирование осуществлялось с помощью уравнения состояния реаль­ных газов и паров воды. При этом использовались зависимости сверхсжимаемости и влагосодержания га­за от его давления, температуры и компонентного состава (Д. Л. Катц и др., 1965), а также сверхсжимаемос­ти водяного пара от давления и тем­пературы, полученные посредством об­работки экспериментальных данных (Т. Хоблер, 1961). При оценке влия­ния наличия паров воды на повыше­ние давления насыщения сравнивался рост газового пузырька в условиях интраиспарения воды и без него. При этом в качестве критерия регистрации насыщения на модели, учитывающей интраиспарение, принималась тож­дественность физической ситуации (текущего размера пузырька) априор­но заданному моменту (значению внешнего давления) наступления на­сыщения для модели без учета интра­испарения.

По модели без учета интраиспаре­ния определялся размер газового пу­зырька, соответствующий давлению насыщения. Затем рассчитывалось увеличение объема пузырька при по­нижении давления в системе по моде­ли с иитраиспареиисм, пока размер пузырька не совпадал с его размером в момент насыщения на модели без интраиспарения. Давление в момент совпадения размеров считалось рав­ным давлению насыщения для моде­ли с учетом интраиспарения. Так как интраиспарение приводит к расшире­нию газового пузырька, его размеры достигали рассчитанных для давления насыщения по модели без интраиспа­рения значительно раньше, т. е. при большем внешнем давлении, которое и фиксировалось как давление насы­щения для модели с интраиспарением воды.

Зависимости приращения давления насыщения за счет водяного пара, т.е. с интраиспарением воды, от дав­ления насыщения воды чистым газом приведены на рис. 1. Результаты оценки свидетельствуют о значитель­ном возрастании давления насыщения в присутствии водяного пара. Даже при сравнительно невысокой темпера­туре (250 °С) приращение давления достигает 8 МПа. С использованием той же имитационной математической модели рассчитано относительное уве­личение объема ŋ газового пузырька от снижения давления в системе, полу­ченное для случаев с интраиспарением и без интраиспарения воды, а по уве­личению объема пузырька оценено ус­корение его всплывания в растворе. В качестве меры ускорения процесса сегрегации τ использовалось отноше­ние отрезков времени, при которых достигается

white class="Normal">

Рис. 1 Приращение давления жидкости газом вследствие интраиспарения ΔР в зависимости от давления насыщения РН этой же жидкости без интраиспарения воды при температурах 250 (1), 150 (2), 100 (3) и 50ºС

white class="Normal">

Рис. 2 Зависимость ускорения сегрегаций пузырьков газа от относительного увеличения его объема при интраиспарении воды:

1 - Рнач. 41 Мпа, t 255ºС; 2Рнач. 32 Мпа, t 201ºС;

3 Рнач. 25 Мпа, t 144ºС


white class="Normal">

Рис. 3 Динамика парциальных давлений метана и водяного пара в парагазовых смесях отдельных геологических областей до глубин с изотермой 360ºС:

области: I- древние платформы (геотермический градиент 2,14ºС/100м.);

IIчехлы молодых платформ с максимальной толщиной осадков и мезозойско-кайнозойские краевые прогибы (5,0ºС/100м.); III - геосинклинальные бассейны доинверсионной стадии (8,0ºС/100м.); IV – области современной гидротермальной деятельности (14,6ºС/100м.); на круговых диаграммах показано объемное соотношение метана и водяного пара, цифры – мольная доля водяного пара в парагазовой смеси.


одно и то же значение ŋ без учета и с учетом наличия водя­ного пара (рис. 2). Впадина на гра­фиках является следствием нелиней­ной связи коэффициента сверхсжима­емости реальных газов с давлением. Падение τ при больших ŋ связано с уменьшением отношения отрезков вре­мени с ростом ŋ. Таким образом, оцен­ка свидетельствует о том, что даже при невысоких температурах и при незначительном снижении давления в гидродинамической системе всплывание газового пузырька с водяным па­ром происходит в два раза быстрее.

Представляет несомненный интерес рассмотрение возможного влияния паровой фазы воды на поведение свободных газовых скоплений в зем­ной коре с различными термобаричес­кими параметрами. С этой целью на­ми оценены мольная доля и парциаль­ное давление водяного пара в мета­новых парогазовых смесях различных геологических областей с использова­нием максимальных геотермических градиентов в них (А.А. Смыслов и др., 1979). Для всех рассматривае­мых геологических областей давление флюидной системы на соответствующих глубинах оценивалось по градиенту 0,98 МПа/100 м (условное гидроста­тическое давление) вплоть до отмет­ки с температурой 360 °С (рис. 3), для которой имеются эксперименталь­ные данные по определению влагосодержания метана для различных дав­лений (А. Ю. Намиот, 1976). На рис.3 хорошо виден возрастающий вклад парциального давления водяного пара во флюидное давление парогазовой смеси и одновременно замещение ме­тана все большим объемом водяного пара.

Результаты приведенных выше ис­следований позволяют утверждать, что в земной коре любое скопление при­родных газов, от зародышевых пу­зырьков до газовых залежей, представ­лено парогазовыми смесями. Водяной пар, являющийся непременной состав­ной частью этих смесей, играет боль­шую роль в процессах растворения и выделения газов из воды, регулируя газонасыщеиность подземных вод. Meханизм регулирования газонасыщен­ности подземных вод заключается в следующем.

Доля водяного пара в парогазовых смесях с глубиной возрастает и в за­висимости от давления в условиях прикритических температур может достигать 50—90 %. Соответственно такую же долю составляет парци­альное давление водяного пара от давления смеси. Таким образом, в земной коре в случае наличия свободной газовой фазы вода (остаточная, поровая, трещинная) всегда находится в равновесии с парогазовой смесью, со­держание газа в которой ограничено водяным паром, причем ограничение количества газа в парогазовой смеси сохраняется вплоть до повышения давлення в системе до геостатического или несколько выше него.

Это явление приводит к тому, что сколь бы высоким ни было давление ы высокотемпературной парагазовой смеси (рост давления снижает мольную долю водяного пара), находящийся в равновесии с водой, чистых газов недостаточно для полного насы­щения воды при высоких пластовых температурах. Таким образом, недосыщенность воды газами контролируется мольной долей водяного пара при су­ществующих РГ-условиях в системе. Например, при снижении давления в насыщенной гидродинамической сис­теме уже на стадии зарождения пу­зырьков последние образуются при давлении, равном сумме парциальных давлений собственно газов и водяного пара, образовавшегося в результате интраиспарения воды. Водяной пар повышает внутреннюю энергию пу­зырьков, и возросшая архимедова си­ла приводит к более быстрой естест­венной дегазации воды {4, 6,]. При искусственной дегазации отобранных проб воды учитывается только газо­вая составляющая собственно газов, поэтому неучет парциального давле­ния водяного пара создает представ­ление о малой упругости растворен­ных газов.

Из полученных данных следует так­же, что наряду с влиянием на газонасыщенность высокотемпературных под­земных вод водяной пар обусловли­вает перераспределение скоплений природных газов по разрезу земной хоры, обеспечивая его миграцию из нижних этажей в верхние. Доказа­тельством служит сосредоточение ос­новных ресурсов углеводородных га­зов на умеренных глубинах: от 0,5 до

ProductID="3,5 км" w:st="on">3,5 км для кайнозойских и мезозойс­ких отложений и до 6 км для палео­зойских [8]. Согласно [9], формиро­вание таких газовых месторождений, как Оренбургское, Вуктыльское, Шат-лык, Газли, Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Гронинген, Хыоготон-Панхэндл произошло в результате миграции метана из нижней зоны га­зогенерации, где он образовался при температуре 250—350 С. Исходя из описанного механизма, можно предпо­ложить, что формирование указанных месторождений было обусловлено так­же более быстрым обособлением паро­газовых смесей в гомогенную фазу и ускоренным движением их вверх по разрезу земной коры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Зорькин Л.М., Старобинец И. С. Стадник Е.В. Геохимия природных газов неф­тегазоносных бассейнов.— М.: Недра, 1984.
  2. Кольская сверхглубокая Под ред. Е.А. Коз­ловского.— М.: Недра, 1984.
  3. Корцешитейн В.И. Растворенные газы подземной гидросферы Земли.— М.: Недра, 1984.
  4. Петренко В. И., Доготь А.Я. Повышение углеподородоотдачн за счет ускоренной се­грегации защемленного газа//Газовая про­мышленность. 1986. № 12. С. 31—32.
  5. Петренко В.И., Доготь А.Я. Влияние паров поды на давление насыщения жидких углеводородов газамн//Газовая промышлен­ ность. 1987. № 1. С. 47.
  6. Петренко В. И., Доготь А.Я. Механизм пневмогпдравлической квазикавитации//Сов. геология. 1987. № 3. С. 115—118.
  7. Разработка месторождений при забой­ном давлении ниже насыщения/Г.Г.Вахитов, В.П.Максимов, Р.Т. Булгаков и др.—М.: Недра, 1982.
  8. Ресурсы нефти и газа и перспективы их освоення/М.С. Моделевскнй, Г.С. Гуревнч Е.М. Хартуков и др.— М.: Недра, 1983.
  9. Якуцени В.П. Интенсивное газонакопленпе в недрах.— Л.: Наука, 1984.
  10. Katz D., Lundy С. Absence of connate wa­ter in Michigan reef gas reservoirs — an analysis//Amer. Assoc. Petrol. Geol. 1982. Vol. 66. № 1. P. 91—98.

Авторы: 

Тематические разделы: