Глава 8 межпластовые воды

Межпластовыми водоносными горизонтами (межпластовыми водами, просто “пластовыми” водами, что является неверным) называются водоносные горизонты, залегающие между двумя слабопроницаемыми пластами. В отличие от грунтового водонос­ного горизонта, верхней границей которого является свободная поверхность подземных вод, межпластовые горизонты всегда имеют относительно слабопроницаемую (водоупорную) кровлю и подошву (рис. 8.1).

1

Рис. S. /. Схема условии залегания межпластового во­доносного горизонта: / — межпластовый водоносный горизонт, 2 — слабопроницаемыс породы кровли и подошвы. 2 — пьезометрический уровень напорных межпластовых вод, 4 — направление движения меж- плаетовых вод, J — скважина, стрелка — величина пьезометрического напора, 6 — поверхность земли

В геологических структурах, сложенных слоистыми осадочными отложениями, межпластовые воды распространены на глубинах примерно от 10 м до 7 км и, вероятно, и на больших глубинах, предположительно до 15—20 км в глубоких платформенных струк­турах, сложенных осадочными породами (Предуральский прогиб. Прикаспийская впадина и др.).

В верхней части геологического разреза, выше уреза поверх­ностных вод основных дрен территории, проницаемый пласт, зале­гающий между двумя “водоупорами”, может быть насыщен водой

не на всю мощность. Такие водоносные горизонты называются межпластовыми безнапорными (со свободной поверхностью). В большинстве случаев проницаемый пласт полностью на всю мощность заполнен водой с избыточным пластовым давлением Р величина которого в общем случае пропорциональна глубине за­легания водоносного горизонта.

В верхней части гидрогеологического разреза пластовое давле­ние примерно соответствует высоте столба воды от уровня залега­ния водоносного горизонта до поверхности земли, в этом случае оно называется нормальным гидростатическим давлением Р_т В глубоких частях разреза, как правило, при относительно надеж­ной изоляции элемента пластовой системы от поверхности земли и смежных водоносных горизонтов величина пластового давления может быть значительно большей и достигать значений геостати- ческого давления Р_|ео, определяемого весом вышележащей толщи горных пород (Р_1ео = 2,5 Р ). Примерный характер изменения пластовых давлений с глубиной залегания показан на рис. 8.2. Однако в общем случае эта зависимость может быть значительно более сложной (см. гл. 10).

Р

При вскрытии межпластового водоносного горизонта буровой скважиной (колодцем, шахтным стволом) вода под действием из­быточного (пластового) давления поднимается выше кровли во­доносного горизонта и устанавливается на определенном уровне (см. рис. 8.1). Расстояние от кровли водоносного горизонта до ус­тановившегося уровня воды, являющееся согласно уравнению (5.6) пьезометрической высотой, называется напором над кровлей водоносного горизонта. Расчет пьезометрического напора (меры энергии потока) межпластовых вод осуществляется согласно фор­муле (5.7) путем отнесения величин напора над кровлей пласта к единой плоскости сравнения. При использовании в качестве еди­ной плоскости сравнения уровня Мирового океана (Z_{]) для глубо- козалегающих межпластовых вод величина пьезометрического напо­ра может быть меньше, чем напор над кровлей водоносного горизон­та (И_к) (см. рис. 8.1).

Величина напора над кровлей водоносного горизонта А , равная

Рис S.2. Принципиальная схема измене­ния пластовых давлений с увеличением глубины залегания

высоте столба воды, зависит не только от пластового давления P_in, но и от плотности воды р, которая изменяется в зависимости от величины минерализации воды, содержания газа в свободном состоянии и температуры (P_n:i = h_Kpр)- В связи с этим при сравне­нии напоров подземных вод с различной плотностью (различной минерализацией) осуществляется расчет так называемых приве­денных напоров и давлений (А.И. Силин-Бекчурин, В.М. Шеста­ков и др.).

Линия, соединяющая (на разрезе) точки установившегося уровня напорных межпластовых вод, называется пьезометрической кривой, поверхность, до которой поднимаются уровни напорных вод, — пьезометрической поверхностью. Каждый межпластовый водоносный горизонт имеет собственную пьезометрическую по­верхность (пьезометрическую кривую), положение которой всегда в той или иной мере отличается от пьезометрических поверхностей смежных водоносных горизонтов.

При расчете пьезометрических напоров межпластовых вод от­носительно универсальной плоскости сравнения (Z₀) величина напора (в данной точке) будет соответствовать абсолютной от­метке установившегося уровня напорных подземных вод (см. рис. 8.1). Линии, соединяющие точки с одинаковой абсолютной отметкой установившегося уровня напорных вод, называются гидроизопьезами, которые являются также линиями равного напора.

Аналогично гидроизогипсам (см. гл. 7) система гидроизопьез характеризует (в абсолютных отметках) пьезометрическую поверх­ность данного межпластового водоносного горизонта. Однако в отличие от реально существующей поверхности грунтовых вод пьезометрическая поверхность водоносного горизонта является воображаемой поверхностью, до которой будут подниматься уровни напорных вод при вскрытии их горными выработками (скважинами или колодцами). Если пьезометрическая поверх­ность водоносного горизонта располагается выше поверхности земли (напор над кровлей водоносного горизонта больше, чем глубина его залегания), такие напорные воды называются самоиз- ливающимися (изливающие или фонтанирующие скважины).

Система гидроизопьез (линии равных напоров) и линий токов образует гидродинамическую сетку подземных вод межпластового напорного водоносного горизонта, аналогично рассмотренной на рис. 5.5.

Наличие значительных пластовых давлений и возможность их заметных изменений во времени (в естественных условиях в свя­зи с тектонической деятельностью, эрозионными процессами и другими причинами или в условиях техногенного воздействия на пласт, приводящего к увеличению или снижению пластовых давлений) определяют необходимость учета при изучении меж- пластовых потоков упругих деформаций пласта, возникающих при изменении пластовых давлений (так называемый упругий ре­жим фильтрации).

Изменение (уменьшение, увеличение) пластового давления приводит к изменению плотности самой воды, а также к измене­нию давления в минеральном скелете пласта, поскольку пластовое давление частично уравновешивает внешнюю нагрузку, действую­щую на пласт. Изменение давления в минеральном скелете пласта приводит к деформации (уменьшению, увеличению) “свободного” пространства, что в свою очередь меняет значение обшей скваж­ности и емкости горной породы.

Коэффициент объемного сжатия воды ((3) рассчитывается из выражения

(8.1)

Ар I р АР ’

где АР — изменение пластового давления; Ар/р — относительное изменение плотности воды.

Согласно В.М. Шестакову, расчет коэффициента объемного сжатия воды с минерализацией М (г/л) может быть выполнен по выражению

(8.2)

(3 = 4,75-КГ⁵ - 7,15 • 10~^х —, см²/кгс,

Y

где у = рg — масса единицы объема воды.

При относительно небольших изменениях пластовых давлений принимается, что коэффициент сжимаемости горной породы ((З_п) определяется из выражения, аналогичного (8.1).

Так называемый коэффициент упругоемкости породы р, ха­рактеризующий изменение объема воды в единичном объеме по­роды при единичном изменении напора, может быть определен из выражения

(8.3)

где п — объемное значение скважности.

Согласно выражениям (8.1) и (8.3), при уменьшении пластового давления происходит расширение (увеличение объема) воды, запол­няющей свободное пространство в минеральном скелете породы, и одновременно уменьшение суммарного объема пустот (уплотне­

ние) минерального скелета, связанное с относительно возрас­тающим давлением на скелет, что определяет величину упругой во­доотдачи породы. При увеличении пластового давления — умень­шение объема воды и увеличение объема пустот (разуплотнение при относительном уменьшении давления на скелет), формируется как бы дополнительная емкость горной породы. В соответствии с этим коэффициент упругоемкости ц рассматривается как параметр, характеризующий упругую емкость единичного объема горной по­роды. Для водоносного пласта в целом в качестве такого параметра рассматривается коэффициент упругой емкости пласта р\ пред­ставляющий собой отношение изменения объема воды в единич­ном элементе пласта АУ_{) к изменению напора АН (давления):

* ^AVu

ц = -}- = тт], (8.4)

АН

где т — мощность пласта.

Условия формирования, динамика и режим межпластовых вод определяются главным образом глубиной залегания водоносного горизонта и характером связи со смежными гидрогеологическими элементами разреза.

В некоторой степени условно могут быть выделены три основ­ные схемы формирования потока межпластовых подземных вод:

1. “артезианская”, 2) схема с перетеканием (схема А.Н. Мятиева), 3) схема с формированием элизионного режима межпластовых вод (рис. 8.3).

“Артезианская” схема движения межпластовых вод формиру­ется на участках с наклонным залеганием слоев главным образом в верхней части геологического разреза.

Выходы водоносных пластов на поверхность на возвышенных участках территории (центральные части междуречных прост­ранств, предгорные возвышенности и др.) являются в этом случае гидравлически открытыми областями питания межпластовых вод. Питание формируется непосредственно за счет инфильтрации ат­мосферных осадков и поглощения поверхностных вод или за счет нисходящей фильтрации из грунтового водоносного горизонта (рис. 8.3, а).

Разгрузка межпластовых вод (области разгрузки) происходит в понижениях рельефа (крупные речные долины, приморские низ­менности, озерные котловины и др.) или в виде “открытой” раз­грузки при непосредственном вскрытии межпластового горизонта эрозионными врезами (рис. 8.3, а) или перетеканием через пере­крывающие слабопроницаемые породы и по “гидрогеологическим окнам” (см. гл. 7).

Область разгрузки Область питания Область разгрузки

Рис. 8.3. Схемы формирова­ния потоков межпластовых подземных вод: а — “ар­тезианская", 6 — схема А.Н. Мятиева. в — схема “злизионно! о" потока: I — водоносные (проницаемые) породы, 2 — породы сла­бопроницаемые, 3 — уро­вень грунтовых вод, 4 — пьезометрический уровень межпластовых вод, 5 — ис­точники, 6 — направление движения межпластовых вод, 7 — направление межплас­товых потоков подземных вод (перетекание), 8— сква­жина, стрелка — величина пьезометрического напора межпластовых подземных вод, 9 — направление дви­жения элизионных вод. от­жимающихся из слабопро­ницаемых пород

]² И³ ЕЗ⁴ Q⁵ 1вГТТП⁹

Между областями питания и разгрузки в этом случае выделя­ется так называемая “зона транзита" (транзитного потока), в пре­делах которой поток межпластовых вод предположительно не взаимодействует с вышележащим горизонтом.

Схема формирования потоков межпластовых вод с перетека­нием (межпластовым взаимодействием) впервые рассмотрена А.Н. Мятиевым (1947), который показал, что для слоистых толщ, представленных чередованием водоносных и слабопроницаемых пород (пластовые системы), в верхней части гидрогеологического разреза характерны следующие общие закономерности распреде­ления напоров подземных вод:

1. в пределах возвышенных участков территории с высоким положением уровня фунтовых вод (центральные части междуреч­ных пространств и др.) величины напоров подземных вод уменьша­ются с увеличением глубины залегания водоносного горизонта;

2. на пониженных участках территории, где уровень грунтовых вод занимает относительно низкое положение в связи с наличием близко расположенных участков разгрузки, величины напоров увеличиваются с увеличением глубины залегания водоносных го­ризонтов;

3. в пределах каждого водоносного горизонта (грунтовые воды, I и II межпластовые горизонты и глубже) величина напора умень­шается в направлении от центральной части междуречных прост­ранств к дренам (рис. 8.3, б).

Указанное распределение напоров определяет формирование в центральной части междуречного пространства области с наличи­ем разности напоров (AHi), обусловливающей возможность нис­ходящей межпластовой фильтрации (перетекания), которая может рассматриваться в качестве области питания системы межпластовых водоносных горизонтов. В пределах понижений рельефа соответ­ствующая разность напоров (А//Т) определяет формирование межпластовой восходящей фильтрации, что обусловливает разгруз­ку из нижележащих межпластовых водоносных горизонтов в вы­шележащие и далее в фунтовые и поверхностные воды.

Расходы межпластовой (восходящая и нисходящая) фильфации на единицу площади (м², км²) определяются значением разности напоров смежных горизонтов разреза (А//), коэффициентом фильтрации разделяющего слабопроницаемого слоя (К_и), а также его мощностью (т_{]) и в связи с изменением этих параметров могут меняться в пределах двух-трех порядков и более.

В водоносных горизонтах (грунтовый водоносный горизонт и межпластовые горизонты) в связи с существующим (пластовым)

распределением напоров формируются латеральные (пластовые) потоки подземных вод, направленные от центральных частей меж­дуречных пространств к дренирующим понижениям (рис. 8.3, б). Границами этих потоков являются водоразделы, в общем случае примерно совпадающие с орографическим водоразделом смежных речных бассейнов, и при условии полного дренирования потока (см. гл. 7) — дрены, ограничивающие междуречное пространство. Таким образом, в пределах той части разреза, где движение под­земных вод осуществляется по схеме А.Н. Мятиева, формируется система местных потоков межпластовых вод, структура которых определяется рельефом территории и распределением напоров (поверхности) грунтового водоносного горизонта. Деформация общей схемы межпластовых потоков (рис. 8.3, б) может быть свя­зана главным образом с особенностями пространственного изме­нения параметров (Г, К₍₎, т_п) водоносных и слабопроницаемых пород: наличие “гидрогеологических окон” в разделяющих сла­бопроницаемых пластах, сокращение их мощностей, изменения проницаемости, связанные с зонами тектонических нарушений, фациальным замещением слабопроницаемых пород и др.

Схема “элизионного" движения межпластовых вод по существую­щим представлениям (И.Г. Карцев, 1983; и др.) формируется в тех случаях, когда баланс элемента межпластовой системы определя­ется главным образом поступлением поровых растворов, отжимаю­щихся из уплотняющихся осадочных горных пород или воды, формирующейся при дегидратации породообразующих минералов (рис. 8.3, в).

Поскольку интенсивность процессов уплотнения и отжатия поровых вод и дегидратации минералов в общем случае опреде­ляется ростом геостатического давления (массой вышележащих горных пород) и увеличением температуры, предполагается, что максимальные объемы “элизионного” питания формируются на участках интенсивного прогибания (погружения). Это приводит к формированию максимальных пластовых давлений в централь­ных погружающихся участках пластовой системы и их уменьше­нию в направлении к относительно “приподнятым” частям и участкам с открытой гидравлической связью (зоны тектонических нарушений, размывы слабопроницаемых слоев и др.) с вышеле­жащими элементами пластовой системы. В соответствии с этим формируются “элизионные” потоки межпластовых вод, движе­ние которых направлено от центральных прогибающихся участ­ков пластовой системы к участкам относительно приподнятым (рис. 8.3, б).

В реальных условиях формирование элизионных межпласто­вых потоков является значительно более сложным. Объемы эли- зионного питания и формирование (распределение) пластовых давлений зависят не только от скорости погружения, но также от состава и мощности уплотняющихся горных пород, их проницае­мости, проводимости водоносных пластов, наличия или отсут­ствия участков с открытой межпластовой связью, направления движения отжимающихся поровых растворов и др.

В пределах крупных участков пластовых систем в общем слу­чае движение потоков межпластовых подземных вод формируется при сочетании рассмотренных схем. В верхних частях гидрогео­логического разреза в зависимости от условия залегания горных пород, рельефа и других факторов по схеме “артезианского” дви­жения и схеме А.Н. Мятиева. В глубоких частях разреза (в зави­симости от условий с глубин 1,0—1,5 км) по схеме артезианского движения с разфузкой путем перетекания или по “гидрогеологи­ческим окнам” и схеме элизионного движения.

Формирование химического состава межпластовых вод в той или иной мере может быть связано со всеми процессами, рас­смотренными в гл. 4, однако их роль и масштабы проявления за­висят от типа водовмещающих пород, а также от глубины и усло­вий залегания конкретных межпластовых горизонтов.

Процессы выщелачивания наиболее интенсивно проявляются в верхней части гидрогеологического разреза. Поскольку предел насыщения по слаборастворимым соединениям (SiO-,, СаС0₃) до­стигается, как правило, в зоне аэрации и грунтовом водоносном горизонте, увеличение минерализации и изменение химического состава в результате процессов выщелачивания связано с поступ­лением более легкорастворимых соединений (CaS0₄, NaCl и др.). Наличие этих соединений характерно как для водовмещающих пород собственно межпластовых горизонтов, так и для слабопро­ницаемых пород разделяющих слоев (при формировании потоков по схеме с перетеканием, рис. 8.3, б), где существуют условия длительного сохранения легкорастворимых соединений. В связи с этим для участков формирования нисходящего питания межплас­товых вод характерно постепенное увеличение минерализации до 3,0—5,0 г/л и более при изменении химического состава от гид­рокарбонатного к сульфатному и хлоридному. На участках, где породы межпластовых горизонтов или слабопроницаемые слои представлены галогенными (или в значительной мере засоленны­ми) породами, в результате процессов выщелачивания формиру­ются хлоридные рассолы с минерализацией 100—150 г/л и более.

При элизионной схеме формирования межпластовых потоков химический состав и минерализация подземных вод в решающей степени определяются составом седиментогенных поровых растворов, отжимающихся из уплотняющихся горных пород (рис. 8.3, в). Химический облик поровых растворов (концентрация, состав ос­новных компонентов, микрокомпоненты, газовый состав и др.) определяется условиями осадконакопления и может быть различ­ным. Например, непосредственно с процессами отжатия седи­ментогенных поровых растворов связывают формирование в глу­боких частях пластовых систем, сложенных мощными толщами гапогенных пород (Прикаспийская впадина, Ангаро-Ленский ре­гион и др.), высококонцентрированных 350—400 г/л и более) хлоридно-кальциевых (по В.А. Сулину) рассолов с повышенными содержаниями I, В, Вг и других микрокомпонентов.

В межпластовых системах, сложенных слоями горных пород, существенно различными по минералого-геохимическому и агре­гатному составу, возможно проявление специфических физико­химических процессов (диффузия, адсорбция, ионный обмен, мембранные эффекты и др.), которые по существующим пред­ставлениям наиболее вероятны именно при затрудненной меж- пластовой фильтрации (перетекании) через слабопроницаемые тонкодисперсные породы. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что в условиях глубоких горизонтов разреза с малыми ско­ростями конвективного переноса химических компонентов роль таких медленных процессов может быть весьма существенной. Однако масштабы влияния этих процессов на химический состав и минерализацию межпластовых вод так же, как и биохимических, существенно проявляющихся в определенных элементах пласто­вых систем (см. гл. 4), до настоящего времени количественно не охарактеризованы.

В связи с особенностями структуры потоков подземных вод слоистых систем, постоянным элементом которой является меж- пластовое взаимодействие подземных вод смежных водоносных горизонтов (рис. 8.3), одним из важнейших процессов формиро­вания химического состава и минерализации межпластовых вод является процесс смешения. При взаимодействии водоносных горизонтов в вертикальном разрезе для участков вертикальной нисходящей фильтрации (области питания) в целом характерно распространение на относительно большую глубину маломинера­лизованных НСО/, SO^2-— НСО/ подземных вод, поступающих из верхних горизонтов разреза.

Для участков с восходящими потоками межпластовых вод (об­ласти разгрузки), наоборот, характерно относительное увеличение минерализации за счет поступления из нижних горизонтов, как правило, более минерализованных вод СГ и SO^^_—СГ состава. В каждом конкретном случае влияние процессов смешения в вер­тикальном разрезе проявляется по-разному, поскольку зависит от интенсивности (расходов л/с • км², м³/сут-км²) межпластового взаимодействия, а также различий состава и минерализации под­земных вод в смежных водоносных горизонтах.

Так, на участках пластовых систем, где на относительно не­большой глубине (200—250 м) распространены соленосные или интенсивно засоленные породы (Приуралье, Ангаро-Ленский ре­гион и др.), процессы межпластовой восходящей фильтрации на участках интенсивной разгрузки глубоких вод, связанных с глубо­кими эрозионными врезами, приводят к формированию в верхних горизонтах (вплоть до грунтовых вод) так называемых куполов высокоминерати зованных хлоридных вод и рассолов (рис. 8.4).

Рис. S.4. Схема формирования купола минерализованных вод на участке восходя­щей разгрузки межпластовых вод: 1 — водоносные породы, 2 — слабопрошшае- мые породы, 3 — направление движения потоков грунтовых и межпластовых вод. 4 — межпластовое движение подземных вод (перетекание), J — восходящая разгрузка глубоких минерализованных вод, 0 — изолинии минерализации (г/л)

Однако влияние процессов смешения не ограничивается кон­вективным переносом и механическим перемешиванием (разбав­ление, концентрирование) вод разного состава и минерализации. В результате межпластового взаимодействия подземные воды, имеющие определенный химический облик, сформировавшийся в определенных условиях, попадают (могут попасть) в существенно другие геохимические и термобарические условия (другой мине-

ралого-геохимический состав горных пород, состав подземных вод и газов, изменения, иногда достаточно резкие, пластовых темпе­ратур и давлений и др.). Это неизбежно приводит к более или менее резким нарушениям существовавших химических равнове­сий, что стимулирует определенные химические реакции (растворе­ние, минералообразование, катионный обмен и др.), приводящие к существенным изменениям состава и минерализации межплас­товых вод.

В связи с наличием слабопроницаемой кровли межпластовые водоносные горизонты даже в верхней части гидрогеологического разреза (см. рис. 8.1) значительно лучше по сравнению с грунто­выми водами защищены от различных видов антропогенного воз­действия через поверхность земли (см. гл. 16).

Режим межпластовых вод в сравнении с грунтовыми водами является значительно более стабильным. Действие экзогенных режимообразующих факторов относительно заметно проявляется только на участках открытых выходов водоносных пластов (см. рис. 8.3, а) или в верхнем горизонте на участках интенсивной связи с грунтовыми водами (см. рис. 8.3, о). С удалением от участ­ков выхода пластов на поверхность и увеличением глубины зале­гания водоносных горизонтов влияние экзогенных режимообра­зующих факторов практически не проявляется.

По существующим представлениям на глубинах 30—40 м и более практически не фиксируются сезонные и годовые колеба­ния уровней, температур и химического состава подземных вод (B.C. Ковалевский). Однако на участках интенсивной межпласто­вой связи (участки интенсивного нисходящего питания или раз­грузки межпластовых вод), где баланс взаимодействия водоносных горизонтов в разрезе в значительной мере определяется изменени­ем положения уровней грунтовых вод (см. рис. 7.5), такие колеба­ния с соответствующим сдвигом во времени могут проявляться до глубины 150—200 м и более (Н.М. Фролов). С удалением от участ­ков открытой связи с грунтовыми водами и увеличением глубины залегания межпластовых вод колебания их уровней, температур и химического состава относительно быстро затухают. Как правило, на глубинах 100—150 м и более для режима межпластовых водо­носных горизонтов характерны только слабовыраженные много­летние колебания, связь которых с основными (экзогенными) ре­жимообразующими факторами устанавливается условно. В то же время в межпластовых водоносных горизонтах в связи с упругим режимом фильтрации и большими скоростями перераспределения пластовых давлений значительно более резко, чем в грунтовом водоносном горизонте, и на значительно большие расстояния (по пласту) проявляются изменения гидродинамического режима (при нарушении условий межпластового взаимодействия также изменения температур и химического состава подземных вод), связанные с техногенными воздействиями (самоизлив скважин при вскрытии пласта, откачки или нагнетания, эксплуатация нефтя­ных и газовых месторождений и др.).

В глубоких частях пластовых систем (на глубинах 1500—2000 м и более) режим межпластовых вод по существующим представле­ниям является практически стабильным. Однако ограниченные данные и теоретические представления (В.И. Дюнин, 2001; и др.) свидетельствуют о том, что и для таких глубин могут быть харак­терны достаточно резкие проявления гидродинамического режима (изменения пластовых давлений), связанные с влиянием эндоген­ных факторов (возникновение и релаксация тектонических на­пряжений, землетрясения и др.).