Важнейшие виды движения подземных вод и рассолов

Вода представляет собой физическое тело, обладающее двумя основными свойствами: во-первых, вода мало изменяет свой объем при изменении давления и температуры; во-вторых, вода обладает текучестью, т.е. не имеет собственной формы, а принимает форму сосуда, в котором находится.

Все подземные воды так или иначе движутся. Характер этого дви­жения может быть различным. Вопросы динамики вод и водных растворов являются одними из важнейших в нефтяной и газовой от­расли и изучаются гидрогеомеханикой.

С точки зрения гидромеханики различают негравитационное и гравитационное движение подземных вод.

Когда вода заполняет поры и пустоты горных пород не пол­ностью, ее движение происходит в виде капелек или струй и такое движение называют свободным просачиванием. Для лиосорбированных и адсорбированных вод характерно пленочное движение, ко­торое происходит при неравномерной толщине пленки связанных вод на поверхности минеральных частиц и неравномерном водонасыщении породы и направлено в сторону участков с меньшей тол­щиной слоя связанной воды. Как правило, такое движение имеют воды зоны аэрации. Движение происходит без передачи гидростати­ческого давления и является негравитационным.

В зоне полного насыщения воды заполняют водоносные гори­зонты, их движение происходит под действием силы тяжести или перепада напоров (давлений), который возникает как при тектони­ческих движениях, сопровождающихся вытеснением вод из глин в коллекторы, так и за счет инфильтрации в областях выхода водо­носных пород на дневную поверхность. Возникшее в обоих случаях повышенное давление передается всей водонапорной системе ком­плекса, а перераспределение напоров обусловливает гравитационное движение, или ламинарную фильтрацию подземных вод по пласту, или их разгрузку по тектоническим нарушениям и через водоупоры. Под­земные воды движутся в горных породах путем как инфильтрации, так и фильтрации.

Фильтрация — движение жидкостей и газов в пористых, поровотрещинных породах при полном заполнении их водой. Масса движущейся воды создает фильтрационный поток. Поскольку подземные воды представляют собой физически и химически неоднородные по составу жидкости, их движение необходимо рассмат­ривать с учетом физико-химических факторов, т.е. с точки зрения физико-химической гидродинамики. В связи со сказанным выше, различаются следующие виды движения (перенос) подземных вод:

• вынужденная конвекция — фильтрация, происходящая под дей­ствием градиента давлений, внешнего по отношению к жидкости;
• естественная конвекция — фильтрация под действием различия градиента плотности внутри жидкости;
• молекулярная диффузия (концентрационная конвекция) раство­ренных веществ под влиянием градиента их концентраций внутри растворов, направленная на установление равновесного распре­деления растворенных компонентов во всем растворе. Скорость молекулярной диффузии V_м возрастает с температурой и умень­шается по мере повышения вязкости жидкости и размеров частиц: V_м = -D_м dC/dx, где D_M - коэффициент молекулярной диффузии в породе; dC/dx — градиент концентрации веществ;
• тепловая конвекция происходящая под действием разности тем­ператур;
• осмотическая фильтрация веществ через полупроницаемые мем­браны, обусловленная наличием поверхностных сил взаимодей­ствия граничных (ионно-диффузных) слоев с твердыми стенками каналов фильтрации, осуществляющих миграцию вещества. Раз­личают капиллярно-осмотический перенос, возникающий при аномальной концентрации растворенных веществ вблизи стенок твердой фазы по сравнению с концентрацией в объеме жидкой фазы и термоосмотический процесс, протекающий под влиянием аномального теплосодержания в пристенных граничных слоях жидкой фазы. Скорость осмотической фильтрации возрастает с уменьшением диаметра каналов;
• гидравлическая дисперсия в трещиноватых породах, когда про­цесс миграции протекает в виде рассеивания вещества вдоль и по­перек потока и вызывает дополнительное перемешивание воды.

Диффузно-конвективный массоперенос — сочетание конвективногои диффузного переносов вещества. С точки зрения гидромеханики различают движение:

• турбулентное, характерное для карстовых вод, при этом отмеча­ются максимальные скорости потока, вихревые перемещения, с разрывами сплошности потока. Это относительно редкое яв­ление и не представляет интереса для нефтегазовой гидрогеологии;
• ламинарное, или параллельно-струйчатое, происходящее когда струи воды передвигаются с небольшой скоростью, без пульсаций и разрыва сплошности потока; это движение подчиняется закону Дарси и имеет важное значение для поисковой гидрогеологии.