Газовый состав подземных вод

Все подземные воды в том или ином количестве содержат растворенные газы. Особенно много растворенных газов, преимущественно углеводородных, находится в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов. Среди растворенных в воде газов преобладают азот, углекислый газ и метан. Кроме того, могут присутствовать кислород, сероводород, водород, гомологи метана (этан, пропан, бутан, пентан), том числе изомеры бутана и пентана, а также аргон и гелий.

Основной компонент подземных вод нефтегазоносных бассейнов — метан. Гомологи метана — этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈ и бутаны С₄Н₁₀ — встречаются в меньшем количестве Содержание метана варьирует в широких пределах — от нескольких кубических сантиметров до 5000 см³/дм . В последнее время установлена высокая насыщенность углеводородными газами вод зон АВПД — 20-40 тыс. см³/дм³.

Углеводородные газы — наиболее распространенный компонент в пластовых водах нефтегазоносных бассейнов. Их основным источником в осадочных толщах является рассеянное и концентрированное ОВ. Интенсивность генерации углеводородных газов и их компонентный состав зависят от стадий литогенеза. На стадии диагенеза — до глубин 1000—1200 м — интенсивно генерируется биохимический метан. На стадии позднего протокатагенеза и мезокатагенеза интенсивность генерации углеводородных газов снижается, наряду с метаном генерируются его гомологи (зона генерации жирных газов). Еще глубже — на стадии апокатагенеза — вновь возрастает интенсивность генерации метана. В соответствии с общей зональностью нефтегазообразования наблюдается зональность газонасыщенности подземных вод углеводородными газами. В верхней зоне газообразования подземные воды насыщены метаном, давление насыщения зачастую предельное. В зоне генерации жирных газов в их составе появляются гомологи метана, подземные воды, как правило, недонасыщены газами. В нижней газовой зоне вновь преобладает метан, газонасыщенность вод предельная или близка к ней.

Азот — обязательный компонент вод нефтегазоносных бассейнов, в окраинных частях которых образуются провинции азотных газов. Азот из воздуха захватывается подземными водами в количестве от 3 до 18,3 см³/дм³. Фактически его содержание в водах большинства нефтегазоносных бассейнов значительно выше — от 10 до 400 см³/дм³, реже до 1200 см3/дм³, возрастая от молодых отложений к древним. Максимальная его концентрация (1000— 1200 см³/дм ) отмечена в отложениях ротлигендеса. Один из источников азота — ОВ пород, в котором при высоком содержании протеина количество азота может достигать 10%. Другим источником является азот, выделившийся в процессе метаморфизма осадочных пород. Содержание азота в осадочных породах (170-1200 г/т) почти на порядок выше, чем в изверженных (5—50 г/т) и метаморфических (18-390 г/т).

Диоксид углерода присутствует практически повсеместно. Обычно отмечаемая его низкая концентрация обусловлена несовершенством техники отбора. Углекислый газ постоянно образуется при окислении ОВ и УВ. В большом количестве он образуется в результате динамо- и термометаморфизма карбонатных и магматических пород. В таких районах концентрация углекислоты в подземных водах достигает 18-20 тыс. см³/дм³.

Максимальное количество диоксида углерода, которое может быть поглощено водой из воздуха, составляет 0,814 см³/дм³. Пресными инфильтрационными водами при 10 °С и морской водой нормальной солености при 5 °С захватывается примерно 0,36— 0,37 см³/дм³ углекислоты, которая в таком количестве быстро вступает в реакции и удаляется из пластовых вод. Распространенный источник углекислого газа в водах — ОВ, обязательным продуктом абиогенного и биогенного превращения которого является углекислота. Однако большая часть органогенной углекислоты вступает в реакции с образованием карбонатов и бикарбонатов. Углекислые воды довольно широко распространены. Так, в районе Кавказских Минеральных Вод растворенные газы вод мезозойских отложений почти на 100% состоят из диоксида углерода при газонасыщенности 1600-2300 см³/дм³. Высокогазонасыщенные углекислые воды (до 18 800 см³/дм³) вскрыты в подошве осадочного чехла Шаимской площади в Западной Сибири.

Сероводород в пластовых водах распространен неравномерно. Как и для углекислого газа, для отбора сероводорода нужны специальные пробоотборники и приемы отбора. Исследования А.И. Чистовского показали, что максимальное содержание сероводорода в подземных водах Среднего Поволжья составляет для пермских отложений 900- 1300 см /дм³, для каменноугольных 2000-3000 см³/дм³. В водах девонских и додевонских пород сероводород не обнаружен. В водах подсолевых отложений Прикаспийской впадины, по данным А.С. Зингера, О.И. Серебрякова, В.Г. Грушевого, содержание сероводорода достигает 17 500 см³/дм³.

Сероводород преимущественно вулканического происхождения широко распространен в природе, в частности во многих районах развития минеральных вод, в которых он наряду с углекислотой является основным компонентом. В нефтегазоносных бассейнах в зоне гипергенеза сероводород образуется при взаимодействии сульфатов с ОВ и участии сульфатвосстанавливающих бактерий. В погруженных частях бассейнов, где температура поднимается выше 70 °С, генерация сероводорода происходит путем химического восстановления сульфатов. Этот высокотемпературный сероводород имеет повышенные концентрации, особенно под регионально выдержанными соленосными покрышками.

Гелий, аргон и другие инертные газы (неон, криптон, ксенон) содержатся в пластовых водах в небольшом количестве или в виде следов. Они изучаются для генетических целей. Гелий является ценным промышленным сырьем.

Гелий из воздуха в подземные воды попадает в ничтожном количестве — максимально 47 * 10^-6 см³/дм³ (температура 0 °С, воды инфильтрации), в талассогенных водах его содержание 43 * 10^-6 см³/дм³. Фактически в подземных водах нефтегазоносных бассейнов гелия значительно больше. Так, в водах юрского комплекса Западно-Сибирского мегабассейна содержание гелия изменяется от 0,22 до 0,69 см³/дм³, в водах верейско-верхнебашкирских отложений Самарского Поволжья — от 1 до 1,8 см³/дм³. Более высокая концентрация связана с поступлением радиогенного гелия. Концентрация гелия в подземных водах составляет 0,33—0,43 см³/дм³ (без учета вод лагун).

Предельная концентрация атмосферного аргона в пластовых водах составляет 0,33-0,43 см³/дм³ (без учета вод лагун). Фактически концентрация аргона в водах нефтегазоносных бассейнов изменяется в более широких пределах. Наблюдается та же закономерность изменения концентрации с глубиной и возрастом отложений, что и для гелия. Повышенная концентрация связана с поступлением в пластовые воды радиогенного аргона в результате радиоактивного распада изотопа ⁴⁰К. Вместе с тем наблюдается пониженное содержание аргона (менее 0,3 см³/дм³), обусловленное влиянием нефтяных залежей: аргон в результате высокой растворимости в нефти начинает поступать из вод в залежи.

Кислород в пластовых водах нефтегазоносных областей обнаруживается исключительно редко и в основном связан с зоной свободного водообмена. Он приносится с инфильтрационными водами из внешних очагов водного питания. Изредка кислород образуется непосредственно в глубоких зонах водоносных пластов при радиолизе воды, однако он не может накапливаться в существующих там геохимических условиях.

Водород в подземных водах встречается в небольшом количестве (менее 1 см³/дм³), что обусловлено высокой химической активностью молекулярного водорода. В земной коре водород образуется несколькими путями: при разложении воды под действием радиоактивных элементов, реакции воды с оксидами металлов, разложении воды при высокой температуре на контакте с горными породами, в биохимических процессах.

Объем газа (измеренный в нормальных условиях — при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С), растворенного в единице объема воды, называют газонасыщенностью воды. Она представляет собой сумму объемов всех растворенных газов и выражается в см³/дм³, см³/см³ или м³/м³.

Газонасыщенность определяется растворимостью газов в воде, которая зависит от давления, температуры, ионно-солевого состава воды и состава газа. При давлении до 5 МПа газонасыщенность вод увеличивается пропорционально давлению (закон Генри):

G=K_pp,

где р — давление; К_р — коэффициент растворимости данного газа при данной температуре. По закону Дальтона, при наличии нескольких газов каждый газ растворяется пропорционально своему парциальному давлению.

При давлении больше 5 МПа закон Генри неприменим, так как растворимость газов с ростом давления увеличивается не прямо пропорционально.

Основным параметром, характеризующим количество растворенных газов, является их давление насыщения.

Давлением насыщения (упругостью) называется то давление, при котором весь газ находится в растворенном состоянии. Если вода находится под давлением, большим чем давление насыщения, то она способна растворить добавочное количество газа. В противном случае газ выделится из воды. Упругость растворенного газа равна частному от деления объема растворенного газа на коэффициент его растворимости. Однако эта зависимость применяется, как отмечалось выше, только при упругости менее 5 МПа. При более высоких давлениях насыщения справедлива более сложная зависимость. Коэффициент растворимости газа зависит от минерализации воды в соответствии с уравнением Сеченова: снижается по мере увеличения минерализации. При росте температур примерно до 100 °С растворимость газов уменьшается, при более высоких температурах увеличивается.

Упругость растворенных газов в недрах превышает 25 МПа.

← Ионно-солевой состав подземных вод

Органическое вещество в воде →