Изучение влияния процессов плотностной конвекции на формирование подземных вод подсолевых отложений Соликамской депрессии

Территория исследований, Соликамская депрессия, представляет собой самостоятельную гидрогеологическую провинцию в северной части Предуральского прогиба. Специфическими геологическими образованиями верхней части осадочного чехла являются кунгурская галогенная толща и нижнепермская терригенная формация краевого прогиба, которые изолируют палеозойские отложения, разрез от верхнекаменноугольно-нижнепермских до среднедевонских, от поверхности. В тектоническом плане Соликамская депрессия расположена в пределах крупных структурных элементов: северо-восточной части Волго-Уральской антеклизы, центральных районов Урала и юго-восточных участков Тимана.

Общая площадь исследуемого района составляет около 10 000 км².

В административном отношении исследуемый район находится в Пермской области, являющейся одним из наиболее экономически развитых регионов России. В области развиты машиностроение, химическая, лесная, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность.

Изучение гидрогеологических условий подсолевого разреза палеозойских отложений на территории Соликамской впадины ведется в связи с разведкой и разработкой нефтяных месторождений.

Представления о региональной гидрогеодинамике Предуральского прогиба содержатся в работах А.И.Силина-Бекчурина (1949, 1954), В. А. Кротовой (1956, 1962, 1969), А. Т. Печерина (1970), И. Н. Шестова и А. В. Шурубора (1975) и других исследователей. Диссертационная работа Ю. А. Яковлева (1984) была, по-видимому, последним региональным обобщением представлений о гидродинамической структуре подземного потока палеозойских подсолевых отложений Среднего Приуралья.

Актуальность работы обусловливается следующим. На сегодняшний день отсутствуют общепринятые представления о гидродинамике, а также об условиях формирования химического состава подземных вод подсолевых водоносных комплексов Соликамской депрессии. Имеющиеся в настоящее время представления носят описательный характер. Накопленный на сегодняшний день значительный объем гидрогеологической информации проанализирован только на качественном уровне, отсутствуют гидрогеодинамические и гидрогеохимические модели, количественно характеризующие условия формирования подземных вод. При оценке гидрогеодинамических условий традиционно используются построения карт и профилей приведенных пластовых давлений. Этот подход в настоящее время критикуется рядом исследователей [14, 19], так как не может дать однозначных представлений о структуре подземного потока при сложном распределении плотности флюидов в плане и разрезе.

Целью настоящей работы является оценка региональных гидрогеологических условий палеозойских водоносных комплексов Соликамской депрессии с учетом переменной плотности подземных вод на основе обобщения гидрогеодинамической, гидрогеохимической информации и численного моделирования.

Основными задачами работы являлись:

1) изучение структуры поля пластовых давлений;

2) исследование закономерности изменения минерализации и химического состава подземных вод;

3) исследование гидродинамической структуры регионального потока подземных вод подсолевых отложений с использованием численной модели, учитывающей плотностные эффекты.

Методической основой для решения поставленных задач являлось обобщение и анализ существующей гидрогеологической и гидрогеохимической информации, использование гидрогеохимических данных в качестве индикатора гидрогеодинамических условий, выявление генезиса рассолов и построение численных имитационных гидрогеодинамических моделей, учитывающих гравитационную конвекцию рассолов в глубоких пластовых системах Соликамской впадины. Принимая во внимание разнообразие и сложность гидрогеологических условий территории, а также требование оптимального использования вычислительных ресурсов при создании и калибровке модели, процесс моделирования был разделен на два этапа: на первом этапе рассмотрена миграция рассолов из кунгурского солеродного бассейна в период его существованияна втором этапе рассмотрена миграция рассолов выщелачивания кунгурских солей в мезозое и кайнозое в региональном масштабе. В ходе выполнения работы были:

• проведены анализ и обобщение существующей гидрогеологической информации по отдельным разведочным площадям, выявлен участок с аномальными для данной территории гидрогеохимическими характеристиками;

• выявлен генезис рассолов и проведена их типизация;

• проведена геомиграционная схематизация подсолевых пластовых систем и разработаны имитационные гидрогеодинамические и геомиграционные модели;

• обобщены результаты моделирования и анализа имеющейся гидрогеохимической информации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) в результате анализа базы гидрогеологических данных в палеозойских отложениях Соликамской депрессии с использованием существующих критериев определения генетических типов вод выделены рассолы выщелачивания кунгурских солей (вплоть до девонских отложений) и вторая группа рассоловпродукт смешения сингенетичных рассолов с рассолами кунгурского солеродного бассейна и рассолами выщелачивания и их метаморфизации;

2) впервые особенности гидрогеодинамического и гидрогеохимического полей объясняются с учетом плотностной конвекции рассолов, содержащихся в глубоких пластовых системах и различающихся по плотности;

3) показано, что подсолевые отложения представляют собой гидродинамически единую пластовую систему, в которой формируется сложный по структуре фильтрационный поток, обусловленный плотностной конвекцией.

4) на основе имитационного численного моделирования получены оценки скоростей движения подземных вод подсолевых водоносных комплексов и показано, что плотностная конвекция рассолов в геоисторическом временном масштабе является важнейшим фактором, определяющим гидрогеодинамические и гидрогеохимические условия глубоких горизонтов Соликамской впадины;

Практическая значимость.

Данная работа носит в большей степени теоретический характер. В ней впервые сделана попытка дать объяснение наблюдаемых особенностей гидрогеохимического и гидрогеодинамического полей глубоких пластовых систем.

Соликамской впадины влиянием процесса плотностной конвекции. В результате применения имитационного моделирования она позволяет по-другому подходить к изучению условий формирования глубинных подземных вод, оценивать происходящие процессы не только качественно, но и количественно. Практическая значимость работы связана с обоснованием процессов формирования и распределения рассолов различного химического состава и минерализации, которые формируют целый ряд месторождений промышленных вод. Важным с практических позиций аспектом настоящей работы является также то обстоятельство, что понимание гидрогеохимических и гидрогеологических условий глубоких пластовых систем является существенным при гидрогеологическом обосновании поисков, разведки и эксплуатации месторождений углеводородов.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на научном семинаре кафедры гидрогеологии МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва, 2000 г.), на научном семинаре по гранту ИНТАС 97−0068 (Москва, 2000 г.), на научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (г. Пермь, 2000 г.), на Ломоносовских чтениях (Москва, 2001 г.).

Публикации.

По результатам работы опубликована статья в журнале «Вестник Моск. унта. Сер. 4 «Геология», тезисы научного доклада в материалах научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (г.Пермь, 2000 г.) и научно-технического совещания Института географии и карстоведения в г. Перми (2001 г.), тезисы докладов на Ломоносовских чтениях, МГУ, 2001 г.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа имеет общий объем 170 страниц, состоит из введения, 6 глав и заключения.

Список использованных источников

включает 63 наименования. Работа проиллюстрирована 56 рисунками, содержит 14 таблиц.

ВЫВОДЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

В результате проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы.

Водоносные комплексы подсолевых отложений Соликамской депрессии в интервале разреза от верхнекаменноугольно-нижнепермских до тульского водоупора характеризуются рядом признаков, по которым, в соответствии с классификацией В. А. Всеволожского, они могут быть отнесены ко 2 гидрогеологическому этажу. Этими признаками в Соликамской впадине являются следующие характеристики разреза:

— подземные воды этих отложений имеют сходный химический состав и генезис, поле пластовых давлений близко к гидростатическому, что свидетельствует о гидродинамическом единстве разреза (то есть эти комплексы принадлежат одному гидрогеологическому этажу),.

— на периферии структуры вблизи Урала артинские и филлиповские отложения выходят на поверхность,.

— в пределах внутренней области структуры разрез изолирован от поверхности мощной соленосной толщей кунгурских отложений.

Подземные воды в гидрогеохимическом отношении представлены хлоридными рассолами. Последние по генезису могут быть разделены на хлоридные натриевые рассолы выщелачивания и хлоридные натриево-кальциевые, кальциево-натриевые рассолы, градиенты плотности подземных вод, обусловленные изменениями их минерализации, составляют 0,01 — 0,1, что вполне достаточно для проявления эффектов плотностной конвекции.

Изучение процессов плотностной конвекции с использованием вычислительных экспериментов показало, что наблюдаемое в настоящее время распределение минерализации подземных вод и химического состава в плане и разрезе может быть сформировано в результате региональной являющиеся результатом смешения сингенетичных рассолов с рассолами кунгурского солеродного бассейна, рассолами выщелачивания и их метаморфизации.

Минерализация рассолов сложным образом изменяется в плане и разрезе. При этом проявляется тенденция к увеличению минерализации с глубиной. На территории, не включающей аномальный участок, среднее ее значение на глубине 500 м составляет 50 г/л, глубине 2500 м — 250 г/л, вариации ее значений на одной глубине могут достигать 250 г/л. Вертикальные относительные плотностной конвекции рассолов, происходящей в геологическом временном масштабе: с начала формирования кунгурского солеродного бассейна по настоящее время. Необходимым условием для формирования наблюдаемого сложного поля минерализации является присутствие в разрезе регионально выдержанных слабопроницаемых толщ. При этом фильтрационные свойства водоносных и разделяющих толщ должны различаться не менее чем на четыре порядка. В частности, при характерном значении коэффициенте фильтрации относительно хорошо проницаемых отложений порядка 10' м/сут, коэффициент фильтрации слабопроницаемых толщ не должен превышать 10″ 6 м/сут. В таком случае возможно образование «языков растекания» рассолов, с которыми связаны аномалии минерализации в разрезе. Нефтеносность всего подсолевого разреза палеозойских отложений Соликамской депрессии, подтвержденная бурением, также свидетельствует о наличии в разрезе таких выдержанных слабопроницаемых пластов, которые служат покрышками нефтегазовых залежей.

Принимая во внимание представленные выше соображения, а также учитывая гидродинамическую изолированность рассматриваемого интервала разреза от надсолевых водоносных комплексов, можно сделать вывод, что современные гидрогеодинамические и гидрогеохимические условия подсолевых пластовых систем Соликамской депрессии могут в значительной степени определяться конвекционными потоками, вызванными вариациями плотности рассолов в плане и разрезе. Плотностные градиенты могут быть геохимически унаследованными (обусловленными проникновением рассолов кунгурского солеродного бассейна в подстилающие водоносные толщи), а также современными (вызванными диффузионным выщелачиванием толщи галитов).

Верхнедевонско-турнейский водоносный комплекс на отдельных участках характеризуется аномальными гидрогеохимическими условиями. Для данных участков характерна гидрогеохимическая инверсия, повышенное содержание йода, повышенная щелочность, пониженные концентрации брома и повышенное значение коэффициента сульфатности. Перечисленные аномалии, по-видимому, свидетельствует о наличии в верхнедевонско-турнейском комплексе относительно изолированных участков (блоков по В. А. Всеволожскому и В.И.Дюнину), которые сохраняются вследствие литологической неоднородности, наиболее резко проявляющейся на границах прогибов ККС. Этот комплекс может быть отнесен к III гидрогеологическому этажу.

Для получения более детальных представлений о структуре плотностных потоков представляется целесообразным провести вычислительные эксперименты в трехмерной постановке с учетом возможной геофильтрационной неоднородности относительно хорошопроницаемых и водоупорных толщ.

Защищаемые положениядиссертационной работы могут быть сформулированы в следующем виде.

1) Водоносные комплексы подсолевых отложений Соликамской депрессии в интервале разреза от иренского до турнейско-кожимского регионального водоупора представляют собой единую гидродинамическую систему. Пространственные изменения минерализации и химического состава данной системы могут быть объяснены влиянием процесса плотностной конвекции рассолов в геологическом временном масштабе: с начала формирования кунгурского солеродного бассейна по настоящее время. Плотностные градиенты, составляющие 0,01 — 0,1, могут быть геохимически унаследованными (обусловленными проникновением рассолов кунгурского солеродного бассейна в подстилающие водоносные толщи), а также современными, вызванными диффузионным выщелачиванием толщи галитов. Это подтверждается тем, что в подсолевых отложениях Соликамской депрессии обнаружены хлоридные натриевые рассолы выщелачивания, а также хлоридные натриево-кальциевые и хлоридные-кальциево-натриевые рассолы, сформировавшиеся в результате смешения сингенетичных рассолов с рассолами кунгурского солеродного бассейна и последующей метаморфизации.

2) Изучение процессов плотностной конвекции с использованием вычислительных экспериментов показало, что гидродинамическое поле подсолевых пластовых систем Соликамской депрессии характеризуется резкой пространственной и временной неоднородностью. Нисходящая миграция более плотных рассолов происходит в виде отдельных струй (струйная гравитационная конвекция по М.Г.Валяшко). В относительно хорошо проницаемых толщах по.

167 кровле водоупоров возникают латеральные конвективные потоки растекания рассолов повышенной минерализации и встречные (реверсивные) потоки вытесняемых менее минерализованных рассолов. Действительные скорости.

2 3 фильтрации в латеральном направлении достигают значений 10″ -10″ м/год. В относительно слабо проницаемых толщах формируются субвертикальные конвективно-диффузионные потоки.

3) Вычислительные эксперименты показали, что выявленные по данным опробования скважин положительные аномалии минерализации могут быть связаны либо с нисходящими струями более плотных рассолов, либо с потоками растекания по кровле регионально выдеражанных водоупоров. При этом фильтрационные свойства относительно хорошопроницаемых и водоупорных толщ должны различаться не менее чем на четыре порядка. При характерном значении о коэффициента фильтрации относительно хорошо проницаемых отложений 10″ м/сут, коэффициент фильтрации слабопроницаемых толщ не должен превышать 10″ 6 м/сут.