Подземная вода с газом

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 см 3 /дм . В последнее время установлена вы­сокая насыщенность углеводородными газами вод зон АВПД — 20-40 тыс. см 3 /дм 3 .

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 см 3 /дм 3 . Фактически его содержание в водах большинства нефтегазоносных бассейнов значительно выше — от 10 до 400 см 3 /дм 3 , реже до 1200 см3/дм 3 , возрастая от молодых отло­жений к древним. Максимальная его концентрация (1000— 1200 см 3 /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. см 3 /дм 3 .

Максимальное количество диоксида углерода, которое может быть поглощено водой из воздуха, составляет 0,814 см 3 /дм 3 . Прес­ными инфильтрационными водами при 10 °С и морской водой нор­мальной солености при 5 °С захватывается примерно 0,36— 0,37 см 3 /дм 3 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 см 3 /дм 3 . Высокогазонасыщенные углекислые воды (до 18 800 см 3 /дм 3 ) 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 /дм 3 , для каменноугольных 2000-3000 см 3 /дм 3 . 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 см 3 /дм 3 .

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 см 3 /дм 3 (температура 0 °С, воды инфильтрации), в талассогенных водах его содержание 43 * 10 -6 см 3 /дм 3 . 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 см 3 /дм 3 , в водах верейско-верхнебашкирских отложений Са­марского Поволжья — от 1 до 1,8 см 3 /дм 3 . Более высокая концентрация связана с поступлением радиогенного гелия. Концентрация гелия в подземных водах составляет 0,33—0,43 см 3 /дм 3 (без учета вод лагун).

Предельная концентрация атмосферного аргона в пластовых водах составляет 0,33-0,43 см 3 /дм 3 (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 40 К. Вместе с тем наблюдается пониженное содер­жание аргона (менее 0,3 см 3 /дм 3 ), 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 см 3 /дм 3 ), 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 см 3 /дм 3 , см 3 /см 3 или м 3 /м 3 .

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):

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.

Источник

Газы подземной гидросферы

Растворенные газы в подземных водах

Наиболее распространенными газами в подземных водах являются кислород (О2), углекислота (СО2), сероводород (H2S), водород (Н2), метан (СН4), тяжелые углеводороды, азот (N2) и благородные газы.

Газы в подземных водах находятся как в растворенном состоянии, так и в виде свободных (спонтанных) газов. При уменьшении давле­ния растворенные газы могут переходить в свободные.

Кислород преимущественно имеет атмосферное происхо­ждение, частично выделяется водной растительностью при процессах фотосинтеза. В подземных водах он находится в виде растворенных молекул, содержание которых изменяется от 0 до 15 мг/л.

В основном кислород обнаруживается в подземных водах зоны аэрации, грунтовых водах и сравнительно неглубоко залегающих водах артезианских водоносных горизонтов. Однако в областях питания артезианских водоносных комплексов и по тектоническим трещинам в предгорных и горно-складчатых областях с водами атмосферного генезиса кислород проникает на большие глубины — сотни и тысячи метров. С глубиной его содержание в подземных водах постепенно убывает. Кислород, растворенный в воде, является окислителем для всех веществ, обладающих переменной валент­ностью и находящихся в растворе.

Углекислота, находящаяся в воде в виде углекислого газа, называется свободной углекислотой. Углекислота, так же как и кислород, поглощается подземными водами из воздуха атмосферы и, кроме того, она возникает при биохимических и химических процессах, протекающих в толщах горных пород земной коры; она также выделяется при вулканических и метаморфических процессах.

Подземные воды, содержащие свободную углекислоту, в коли­честве более равновесном, обладают свойством агрессивности по отношению к карбонатным породам, т. е. она приобретает способ­ность выщелачивать, а значит, и разрушать горные породы, бетон, железобетон.

Водород накапливается в подземных водах в процессе дис­социации воды и при разложении органических веществ, а также при гидролизе солей тяжелых металлов (сульфатов железа, меди, алюминия и др.) в зонах окисления сульфидных руд; кроме того, свободный водород выделяется в районах современной вулкани­ческой деятельности.

2. Методы обработки данных по химическо­му составу подземных вод

Основной химический состав подземных вод определяется содержанием наиболее распространенных трех анионов — НСО3-, S042-, Сl- и трех катионов — Са2+, Mg2+, Na+. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод — щелочность, соленость и жесткость. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод — щелочность, соленость и жесткость. По анионам выделяют три типа воды: 1) гидрокарбонатные; 2) сульфатные; 3) хлоридные и ряд промежуточных — гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные, хлоридно-сульфатные и более сложного состава. По соотношению c катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциево-магниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Так, например, пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, а солоноватые — могут быть сульфатно-кальциево-магниевыми.

3. Критерии оценки качества подземных вод

Загрязнение подземных вод на участках зоны влияния хозяйственных объектов характеризуется концентрацией загрязняющих веществ и размером площади области загрязнения.

Оценка опасности загрязнения подземной гидросферы чётко регламентирована нормативными и директивными документами и устанавливается по отношению к ПДК. Для оценки масштабов техногенного загрязнения подземных вод В.М. Гольдберг предлагает ввести физические точки их отсчёта. Такими точками отсчёта могут быть качество подземных вод в естественном состоянии (Се) и предельно-допустимая концентрация (ПДК) загрязняющих веществ в подземных водах, используемых для питьевых целей.

Критерии оценки степени загрязнения подземных вод для участков

хозяйственных объектов (промзоны) * (Критерии…, 1992)

№ п/п	Показатели	Экологическое бедствие	Чрезвычайная экологическая ситуация	Относительно удовлетворительные
Основные показатели
Содержание загрязняющих веществ (нитраты, фенолы, тяжелые металлы, СПАВ, нефть, РОВ), ПДК	> 100	10 – 100	3 – 5
Хлорорганические соединения, ПДК	> 3	1 — 3	3	1 – 3	8	3 – 5	100	10 – 100	4

Кроме того, для характеристики масштабов загрязнения подземных вод важное значение имеет размер площади (F) области загрязнения. Таким образом, состояние загрязнения подземных вод дается по двум показателям: качеству подземных вод (С) и размерам области загрязнения (F). На этой основе выделяется четыре уровня состояния подземных вод или классов их состояний:

– относительного благополучия (класс нормы). В основном качество подземных вод соизмеримо с Се, может превышать его, но не выходить за рамки ПДК, т.е. Се

Источник