Пластовые воды

991

Пластовые воды, сопутствующие угольному метану, имеют характерный химический состав, который может быть использован для геологоразведки, в независимости от литологии либо возраста формации. Практически лишенные сульфата, кальция и магния, такие воды содержат преимущественно натрий и гидрокарбонат и, если находятся под влиянием морских отложений, хлорид. Отчетливая геохимическая сигнатура получается в результате реакции биохимического восстановления сульфата, обогащения гидрокарбоната и осаждения кальция и магния. Катионный обмен с глиной также может осаждать растворенный кальций и магний, но это необязательно. Низкое содержание сульфата/углерода характеризует попутные угольному метану воды, но также часто встречается в ассоциации с месторождениями нефти и газа. Воды, богатые сульфатом, кальцием и магнием могут также встречаться в угольных аквиферах, но никогда не находятся в ассоциации с метаном.

При использовании данных об общем сухом остатке необходимо убедиться что цифры отражают поправки к содержанию гидрокарбоната, сделанные для соответствия более ранним данным об ОСО, полученным способом выпаривания воды, при чем часть гидрокарбоната также испарялась. Результаты ошибочного суммирования всей массы гидрокарбоната могут быть слишком велики для богатых гидрокарбонатом вод, что обостряет проблемы утилизации.

Расчеты перспектив и выбор целей геологоразведки могут быть более эффективны, если обратить внимание на геохимический характер воды, ассоциированной с метаном. Информация о характере грунтовых вод может также быть полезна и при обычном тестировании скважин. Присутствие высокой концентрации сульфата в пробах воды может быть сигналом к прекращению откачки воды на ранних стадиях, а также к переносу бурильных площадок подальше от областей подпитки подземного водотока.

Об авторе

Вэйн А. Ван Воет работал геологом на буровых скважинах США и Канады, гидрологом в Геологической Службе США в Миннесоте, и как геолог минерального топлива и гидрогеолог в Бюро Геологии и Бурения в Монтане. Он опубликовал множество технических отчетов об угле и грунтовых водах и сейчас занят исследованиями залежей угольного метана.

Почти вся промышленная добыча угольного метана в США сконцентрирована в шести угольных бассейнах. На момент написания статьи доля угольного метана, добытого в этих бассейнах, составляла 8% от общей массы добываемого в США природного газа, в то время как новые разработки будут происходить в многочисленных угольных бассейнах по мере интенсификации разведки и приобретения новой индустрией практического опыта. Отведение попутных вод является всеобщей проблемой в силу ее объема, который необходимо отвести, чтобы начать добычу газа и химического состава, затрудняющего выбор способа отвода. Интерес к составу воды исключительно с точки зрения способов ее утилизации таким образом заслоняет возможности ее использования в процессе разведки, о этой статье слова «грунтовые воды», «пластовые воды» и «попутные воды» используются для описания грунтовых вод в общем, их поведения вблизи нефти и газа, и их попутной добычи соответственно.

До сих пор (Декер и др., 1987) был исследован химический состав для трех бассейнов (Пайсенс, Сен-Хуан, Блэк Уорриор). Некоторые из этих данных в статье отмечены особо, также добавлена интерпретация других данных о других бассейнах. Из множества используемых диаграмм, описывающих качества воды, выбраны полулогарифмические миллиэквивалентные диаграммы, представленные Шоллером (Фриз и Черри, 1979). Диаграммы Шоллера позволяют сделать качественную и количественную оценку объекта, обе ценны для темы статьи. Описаны свойства воды, добываемой во всех шести бассейнах, с акцентом на сходстве относительных концентраций химических элементов в морской и пресной обстановках осадконакопления. Представлено обсуждение геохимических процессов, происходивших в ходе изменения условий среды, с отступлениями в сторону качеств воды, попутной нефти и газу, мер предосторожности при использовании значений общего сухого остатка и предложениями по использованию геохимических аномалий для разведки, добычи и опробования метана.

Разработка бассейнов

Хотя угольный метан уже много десятилетий является источником энергии, первый значительный опыт промышленной добычи метана из угольных пластов произошел в бассейне Блэк Уорриор, штат Алабама. Начало производства угольного метана произошло из интуитивного решения проблемы накопления гремучего газа в подземных угольных шахтах. Дегазация в целях обеспечения безопасности ясно показала коммерческую выгоду от продаж газа, и первая разработка угольного метана в США открылась, как следствие, в бассейне Блэк Уорриор в 1980(Пэшин и Хинкль,1997).

Вскоре последовала крупномасштабная промышленная добыча в бассейне Сен-Хуан, Колорадо и Нью-Мехико, и к 2001 году(особенно в Нью-Мехико) далеко превзошла по масштабам добычу угольного газа по всему США вместе взятому(Colorado Oil and Gas Conservation Statistics; Energy Information Administration, 2001). Другие крупные бассейны в Скалистых Горах — Ратонский бассейн, граничащий с Колорадо/Нью-Мехико, бассейн Пайсенс в Колорадо — один из наиболее глубоких структурных бассейнов в регионе Скалистых Гор, бассейн Юинта в западной Юте и бассейн Пауд ер-Ривер, наиболее крупный в географическом отношении бассейн в США, хотя разработка метана здесь геологически наименее глубокая.

Возраст продуктивных пластов варьируется от Пенсильванского до Третичного периодов, а группы углей — от полубитуминозных до битуминозных. Во всех бассейнах, кроме Паудер-Ривер, залежи сопровождаются морской или околоморской средой. Угольные и попутные пласты Паудер-Ривер полностью континентальные, они окружены породами, насыщенными пресной водой, но в сопровождении метана вода во всех случаях несет специфический химический отпечаток диагенетических (постседиментационных) процессов.

Химический состав попутных вод

Попутные воды семи угленосных бассейнов химически сходны между собой по составу несмотря на географическую разбросанность бассейнов и несоответствие стратиграфии и возраста угленосных отложений. Для всех бассейнов очевидна низкая концентрация кальция и магния, почти полное отсутствие сульфидов, и превалирование натрия и углекислой соли в попутных водах, что характерно для грунтовых вод, сопровождающих места разработки и угольного метана.

В большинстве бассейнов концентрация ионов в воде отражает процессы насыщения и осушения водоносного горизонта, приливов и водотока. В бассейнах с уже определенными условиями водотока видно, что в местах насыщения водоносного горизонта концентрация натрия и хлорида в целом ниже и в целом выше для кальция и магния, чем в местах осушения.

Например, бассейн Сен-Хуан был подробно изучен Кайзером в 1991 году, он сопоставил условия водотока подземных вод, градиенты гидростатического давления и качества воды. Исследование выявило натриево хлорид-бикарбонатный тип попутных грунтовых вод и показало, что концентрация ионов в части бассейна в Колорадо наименьшая, благодаря пресной подпитке грунтового горизонта. В Нью Мехико концентрация всех трех компонентов сильно возрастает.

Гидрология бассейна Рэтон также хорошо известна по исследованиям Маю Лафлина и Хемборга. Концентрация всех растворенных составляющих растет по водотоку к центру бассейна. В воде значительна концентрация только натрия, гидрокарбоната и хлорида, тогда как остальные ионы, обычные для грунтовых вод (кальция, магнезия, соли серной кислоты), практически отсутствуют.