Химические и физические свойства природных вод
Химические свойства подземных вод весьма разнообразны, что обусловливается сложностью их химического состава и физических условий, в которых они находятся. Наиболее важными из них являются: минерализация, концентрация водородных ионов, окислительно-восстановительный потенциал, жесткость, щелочность, агрессивность и окисляемость.
Минерализацией воды называется суммарное содержание в ней растворенных минеральных веществ, найденных химическим путем. Иногда минерализацию выражают через сухой остаток, полученный путем выпаривания определенного объема (обычно 1 л) воды. Приближенное значение минерализации дает удельный вес воды. Минерализацию воды выражают в граммах на 1 дм3, а для рассолов — в граммах на 1 кг. И.К. Зайцевым (1961) предложена следующая классификация подземных вод по минерализации: 1) очень пресные (ультрапресные) — 0,1 г/дм3; 2) пресные — от 0,1 до 1 г/дм3; 3) соленые — от 1 до 35 г/дм3; 4) рассольные — более 35 г/дм3.
С ростом минерализации происходит закономерная смена гидрокарбонатных вод сульфатными, а затем хлоридными.
Водородный показатель pH является важнейшей характеристикой концентрации ионов водорода или их активности в растворах.
В химии концентрации ионов водорода и гидроксила из-за их малости принято определять в виде логарифмов, взятых с обратным знаком: pH = -lg[H+], рОН = —lg[ОН-]. Щелочную и кислую среду выражают обычно концентрацией водородных ионов, так как их проще определять, чем концентрацию гидроксильных ионов. Если вода не содержит других ионов, то при температуре 22 °С она имеет нейтральную реакцию и pH = 7. Если раствор кислый, то pH <7; если раствор щелочной, pH > 7.
У большинства природных вод pH от 6 до 8. Более низкие значения pH = 5,5—5 иногда имеют ультрапресные подземные воды, некоторые кислые минеральные воды и рассолы хлор-кальциевого типа. Еще более низкие значения pH = 4,5—4 наблюдаются у болотных вод. Сильнокислые свойства (pH от 4 до 1) у шахтных (рудничных) вод, что обусловлено наличием в них свободной серной кислоты, образующейся в результате окисления сульфидных руд и природной серы, и фумарольные воды областей проявления современного вулканизма, в которых наряду с серной содержится свободная соляная кислота. Щелочной характер (pH = 9) имеют воды некоторых термальных источников и подземные воды содового типа.
Окислительно-восстановительный потенциал (измеряется в вольтах) характеризует способность к окислению и восстановлению атомов, молекул и ионов относительно какой-либо стандартной окислительно-восстановительной реакции, потенциал которой равен нулю. Стандартной реакцией принято считать переход водорода из газообразного состояния в состояние иона (Н2 - 2е = 2Н+). Стандартным потенциалом называется такое значение показателя Eh, при котором активности всех участвующих в окислительно-восстановительной реакции компонентов равны единице.
Показатель Eh может быть положительным, когда рассматриваемая система является более окисленной по сравнению со стандартной водородной системой, и отрицательным, когда рассматриваемая система принадлежит к более восстановительной системе, чем стандарт.
Жесткость вод зависит от наличия в них солей двухвалентных металлов, преимущественно кальция и магния. Жесткая вода при кипячении образует накипь вследствие оседания некоторых солей кальция, магния и железа (II). Мыло в жесткой воде не мылится (не вспенивается), так как образуются нерастворимые в воде кальциевые и магниевые соли жирных кислот. Жесткая вода не пригодна для питания паровых котлов и применения в химической технологии, а также для других технических целей.
Высокая жесткость, особенно обусловленная солями магния, ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая негативное действие на органы пищеварения. Общая жесткость питьевой воды не должна превышать 10,0 мг-экв/дм3.
Определение жесткости воды имеет большое практическое значение и очень широко применяется в технике и промышленности.
Различают жесткость временную (или устранимую) и постоянную.
Временная жесткость вод обусловлена присутствием в воде бикарбонатов: Са(НСO3)2, реже Mg(HCO3)2 и иногда также Fe(HCO3)2. Ее можно устранить кипячением воды. При этом бикарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых в воде карбонатов, окси-карбонатов и гидроксидов:
Са(НСO3)2 → СаСO3 + Н2O + СO2;
Mg(HCO3)2 → MgCO3 + Н2O + СO2;
2Mg(HCO3)2 → Mg(OH)2CO3 + Н2O + ЗСO2;
Fe(HCO3)2 → Fe(OH)2 + 2СO2.
Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней преимущественно сульфатов и хлоридов кальция и магния и не устраняется кипячением.
Сумма временной (устранимой) и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды.
Жесткость выражается тысячной долей количества вещества — эквивалентов растворимых солей кальция и магния, содержащихся в 1 дм3 воды. Практически при этом указывают концентрацию раствора солей, выраженную в моль-экв/дм3 и умноженную на 1000.
Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с жесткостью менее 4 мг-экв/дм3 считается мягкой, от 4 до 8 мг-экв/дм3 — средней жесткости, от 8 до 12 мг-экв/дм3 — очень жесткой.
Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен мг-экв/дм3, причем карбонатная жесткость составляет до 70—80% общей жесткости. Обычно преобладает (до 70%) жесткость, обусловленная ионами кальция; однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50—60%.
Щелочность природных вод обусловлена присутствием анионов слабых кислот: НСO3-, С032-, H3SiO4-, H2BO3- и другими анионами, гидролизующимися с образованием ионов ОН-. В водах обычного состава щелочность образована в основном анионами угольной кислоты (НСО3- и СО32-). Она выражается в мг-экв этих ионов и определяется количеством соляной кислоты, необходимой для ее нейтрализации до pH = 4.
Свойство агрессивности в той или иной степени характерно для природных вод и проявляется в отношении к бетону, железобетону и металлам. Агрессивность вод чаще всего обусловлена присутствием ионов водорода (кислые воды), диоксида углерода, сульфатов и магния. Различают углекислотную, выщелачивающую, общекислотную, сульфатную и магнезиальную агрессивности.
Окисляемостъ характеризует общее содержание ОВ в подземных водах, измеряется количеством кислорода, расходуемого на окисление ОВ в воде.
Газосодержание подземных вод не превышает 1,5—2,0 м3/м3. В составе водорастворенного газа обычно преобладают метан, азот, диоксид углерода, гомологи метана, гелий и аргон. Максимальное потенциально возможное газосодержание определяется растворимостью газа в воде, которая зависит от давления, температуры, минерализации воды и состава газа.
Давление насыщения (упругость) водорастворенных газов зависит от газосодержания, состава газа, минерализации и химического состава воды, а также от пластовой температуры. Давление насыщения может быть равным пластовому или ниже его. Оно определяется одним из трех методов: 1) по анализу глубинных проб вод (аналогично определению давления насыщения газов нефти); 2) промером газосодержания по стволу водяных скважин; 3) расчетным путем по составу газа и вод. Первый и второй методы — прямые, и их использование предпочтительнее.
Сущность второго метода, предложенного И.К. Зерчаниновым, состоит в следующем. В четырех-пяти точках последовательно сверху вниз по стволу скважины определяют газосодержание вод по глубинным пробам. На основе полученных данных составляют график изменения газосодержания с глубиной. Точка перегиба графика соответствует глубине, где давление столба воды равно давлению насыщения. Если перегиб на графике отсутствует, то это означает, что давление насыщения равно пластовому давлению.
Объемный коэффициент пластовых вод зависит от минерализации, химического состава, газосодержания вод, пластового давления и пластовой температуры. Наибольшее влияние на этот коэффициент оказывают пластовая температура и минерализация вод. Поскольку газосодержание подземных вод обычно не превышает 1 м3/м3, влияние его весьма невелико и в большинстве случаев может не учитываться.
Объемный коэффициент пластовых вод нефтяных и газовых месторождений колеблется от 0,98 до 1,20.
Плотность вод в пластовых условиях зависит главным образом от их минерализации, пластовых давления и температуры. Плотность вод в пластовых условиях отличается от значений в поверхностных условиях не более чем на 25%. В большинстве случаев воды в пласте менее плотные, чем на поверхности, поскольку пластовая температура обычно намного выше стандартной температуры 20 °С. Однако в условиях пониженных пластовых температур, например в зоне развития вечно-мерзлых пород, плотность вод в пластах может быть равна или даже несколько больше плотности вод в поверхностных условиях.
Влияние газосодержания на плотность подземных вод в большинстве случаев очень незначительно и может не учитываться. Для некоторых точных расчетов и при газосодержании более 1 м3/м3 поправки к плотности подземных вод за счет влияния растворенного газа находят по графику Ю.П. Гаттенбергера. Поправка пропорциональна общему газосодержанию и зависит от состава водорастворенного газа. Суммарная поправка вычисляется и вводится с учетом соответствующего знака.
Зная плотность пластовых вод с учетом растворенного газа и плотность воды в стандартных условиях, можно рассчитать истинное значение объемного коэффициента (с учетом влияния газосодержания).
Вязкость подземных вод зависит в первую очередь от температуры, а также от минерализации и химического состава вод. Газосодержание и давление оказывают гораздо меньшее влияние. В большинстве случаев вязкость пластовых вод нефтяных и газовых месторождений составляет 0,2-1,5 МПа*с.
Вязкость вод определяют экспериментально по глубинным пробам, а также на пробах дегазированной воды с поддержанием пластовой температуры. Этот прием используется при температурах до 100 °С. В случае отсутствия прямых определений вязкость пластовой воды рекомендуется оценивать по графику в зависимости от минерализации и температуры с внесением поправочного коэффициента, учитывающего давление.
Сжимаемость пластовых вод несколько изменяется в различных интервалах давления, но в основном зависит от минерализации, химического состава, пластовой температуры и газосодержания. Коэффициент сжимаемости вод нефтяных и газовых месторождений обычно составляет (3—5) * 10-4 МПа-1. Эта величина в целом небольшая (вода — плохо сжимаемая жидкость). Поскольку в недрах существуют высокие пластовые давления, в точных расчетах со сжимаемостью воды приходится считаться.
Коэффициент теплового расширения пластовых вод несколько изменяется при разных давлениях, но в основном зависит от температуры и минерализации.
Электрическая проводимость природных вод обусловлена их электролитическими свойствами. Носителями электрических зарядов выступают ионы, на которые диссоциированы растворенные вещества. Мерой электрической проводимости принято удельное электрическое сопротивление, т.е. электрическое сопротивление такого проводника электрического тока, длина и сечение которого равны единице. На практике единицей электрического удельного сопротивления служит 1 Ом / (м/м2) = 1 Ом * м. Знание удельного сопротивления подземных вод необходимо для количественной интерпретации данных электрометрии скважин. Удельное электрическое сопротивление природных вод зависит от их минерализации, химического состава и температуры и обычно измеряется на поверхностных пробах воды с созданием пластовой температуры. При отсутствии прямых определений его можно найти по графику в зависимости от минерализации и температуры. Удельное электрическое сопротивление вод нефтяных и газовых месторождений в большинстве случаев лежит в пределах 0,01-1,0 Ом * м.