Материал: Dobrynin_V.M._Petrofiz._modelirovanie_prirodnyh_gidrodinam._processov

шие трудности, связанные с длительностью наблюдений и с весьма малыми значениями измеряемой величины.

В работе [6] дана краткая сводка известных научных результа­ тов. Например, очень тонкие экспериментальные исследования, выполненные А. И. Котовым и С. В. Нерпиным (1958) на охлаж­ денной до 5,5 ·с водабензольной эмульсии, показали, что в слоях толщиной I0-7 м вязкость воды имеет обычное для свободной

воды значение. Вместе с тем у воды обнаружены следы шведавой сдвигавой прочности, характеризуемой предельным напряжени­

ем 't0 = 5 · I0- 10 МПа. Аналогичные результаты были получены в 1972 г. при изучении свойств воды И. Ф. Бондаренко и С. В. Нер­

пиным в стеклянных и кварцевых капиллярах при комнатной

температуре.

Начальный градиент давления G0 связан с предельным напря­

жением сдвига •о и радиусом фильтрующей части капилляра г:

Как видно из формулы (7), значение G 0 обратно пропорцио­

нально радиусу капилляра. Согласно наиболее принятой точке зре­

ния, граница коллектор - неколлектор характерна для капилляра

радиусом г около 1 · I0-6 м. Этому значению радиуса отвечает про­ ницаемость по газу Knr = (0,1+-I)I0- 15 м2 • Наш опыт свидетельствует,

что в образцах плотных известняков карбона из месторождения Тен­

гиз, имеющих общую пористость К" = 3+-5% и газопроницаемость

К" = (0,03+-0,2) 1О-15 м2 , наиболее распространены поры с радиу­

со~ г= (0,05+-0, 1) I0-6 м. Ориентировочный расчет по уравнению

(7) показывает, что nри изменении среднего радиуса пор в преде­

лах г= (0,05+-1,0)10-6 при t 0 = 5 · I0- 10 МПа начальный градиент

давления должен быть порядка G = ( 1+-20) I0- 3 М Па при наиболее

вероятном значении Go = ( 1+- 10) 1о-змПаДЛЯ плотных карбонатных

пород. В глинистых тонкодисперсных пластичных породах значение G0, вероятно, приближается к верхнему пределу общего диапазона. При резком погружении глинистых пород градиент давления поро­ вьtх вод, как показывают наблюдения [6], может достигать градиента

геостатического давления (24+-25) 1о-з МПа.

В литературе наиболее часто можно встретить кажущееся зна­

чение начального градиента Gок' полученного путем экстрапо­

ляции экспериментальных зависимостей V = f(p 1h). Величина

G > G0 и сильно изменяется для разных фильтрующих сред и

фИльтрующих флюидов. Например, С. А. Рази (1953) nри филь­

трации дистиллированной воды через серую, преимуществен­

но каолинитоную глину, получил необычайно высокие значе-

16

ния Gок = (1907370)10- 3 МПа/м, а при фильтрации минерали­

зоваиной воды через красную глину Gок = (20770)10- 3 МПаjм.

Во всех случаях с увеличением давления обжатия Gок растет. Необходимо отметить еще одно важное обстоятельство, свя­

занное с начальным градиентом давления, от значения которого

прямо зависит и значение термодинамического градиента дав­

ления, - это влияние температуры недр.

Экспериментальные исследования Н. В. Чураева (1956) показа­

ли, что аномальное значение вязкости воды в тонких капиллярах

резко снижается с температурой. При температуре Т > 6577о·с

вязкость воды в капилляре не отличается от таковой в свобод­

ном состоянии. И хотя в работах А. И. Котова, С. В. Нерпина (1958), а также Н. Ф. Бондаренко, С. В. Нерпина (1972) не отме­

чено влияние температуры в пределах 5,5-2о·с на вязкость воды

и величину "t0, следует предположить (из физических предпосы­

лок) возможность уменьшения "t0 при более высоких темпера­ турах. Это может означать, что влияние термодинамического

градиента давления поровых вод на геологические процессы будет

уменьшаться с увеличением температуры недр.

По вязкости воды в тонких капиллярах, на наш взгляд, нельзя

судить о прекращении действия адсорбционных сил на молекулы

воды в тонких капиллярах. Например, опытами по испарению воды

на дериватографе, выполненными М. А. Беляковым ( 1989) в Акаде­

мии нефти и газа им. И. М. Губкина, было доказано, что физически

связанная вода в каолинитовых глинах удаляется в интервале темпе­

ратур 80-IЗо·с, в монтмориллонитовых глинах- в интервале 80-

240Т. Поэтому при температуре около too·c в тонких капиллярах

горных пород при пластовых давлениях вполне может частично со­

храниться слой связанной и рыхлосвязанной воды, придающий ей неньютоновские свойства.

На древних платформах с современным геотермическим гра­ диентом Г= 0,02Т/м температуре 1оо·с соответствуют глубины около 5000 м. Ниже этих глубин вертикальная фильтрация за счет термодинамического градиента поровых вод затухает. Следова­

тельно, скорость фильтрации поровых вод должна изменяться с глубиной в результате уменьшения "t0 за счет температуры и умень­

шения среднего радиуса капилляров r; в результате уплотнения

пород. Чтобы не усложнять вычислений, предположим в первом приближении, что уменьшение "t0 и r; компенсируют друг друга до глубины 5000 м и скорость фильтрации в интервале глубин 0- 5000 м остается постоянной. Ниже уменьшение среднего радиуса пор замедляется, а "t0 плавно уменьшается до нуля на глубине

7000 м. Предположим, что ниже глубины 7000 м температура недр

17

превышает IOOQC и влияние термодинамического градиента поро­

вых вод полностью исчезает.

Распределение температуры в однородном политологии карбо­

натном разрезе было найдено А В. Городновым ( 1992) с помощью

решения уравнения теплопроводности в конечных разностях:

(8)

На рис. 3, а приведены результаты вычислений по формуле

(8), полученные для разных скоростей фильтраций, за полное

время фильтрации, равное 1 млн. лет.

Конечно, приведеиное решение является лишь первым при­ ближением. Оно получено для однородной по тепловым свой­

ствам среды и при упрошенном законе изменения скорости

фильтрации вод с глубиной. Однако оно позволяет сделать ряд важных выводов. Так, если похолодание поддерживается на по­

верхности в течение l млн. лет, то охлаждение недр за счет кон­ дуктивной и принудительной конвективной теплопермачи мо­

жет достигнуть значительных глубин. Причем, при общем пони­

жении температуры недр геотермический градиент под влияни­

ем фильтрации поровых вод снижается до глубины 3500 м, затем стабилизируется в интервале 3500-5000 м, а ниже, по мере за­

данного снижения скорости фильтрации вод, начинает возрас­

тать и разность температур приближается к начальной на боль­

ших глубинах.

Учитывая приближенный характер нашего решения, чтобы

не усложнять дальнейших выкладок, будем также считать, что

до и после изменения среднегодовой температуры Земли даже

18

nри наличии nринудительной конвективной фильтрации вод за­ висимости изменения темnературы от глубины сохраняют в верх­ ней части разреза линейный характер.

Это nозволит изменение темлературы недр !!.Г выразить

также nриближенной формулой в конечных разностях и уn­

ростить решение.

До похолодания (или потеnления)

за 1 млн. лет. вычисленные при снижении среднегодовой температуры на 5"С и принудитель­ ной коноекuии пластовых вод со скоростью фильтраuии от О до 0,004 м/год; б- юмененltЯ парового давления воды р в зависимости от глубины пласта h в литологичес­

ки однородном разрезе с измеренными данными в скважинах (сплошные линии /). Кривые

вычислены при снижении среднегодовой температуры на S"C в течение 1 млн. лет (шифр кривых: скорость нисходящеii фильтраuии в интервале 0-5000 м в м/год). Наблюдаемые зна­ чения аномально низких давлеНitй: 2- бассейн Анадарко, пенсильоанские отложения; 3 - бассейн Анадарко (Оклахома), миссисипс~·vе отложения; 4- Нспско-Ботуобинская антек-

люа. рифеiiсюtе отложения

19

бины и конкретных значений !1. Т0 и t-.f. Изменение среднего­ довой температуры !1. Т0 связано с похолоданием или потеп­ лением климата на Земле. Изменение среднего геотермичес­ кого градиента t-.Г может произойти в результате принуди­

тельного конвективного переноса тепла или при изменении

плотности теплового потока в земной коре. Однако плот­

ность теплового потока зависит от глубинного строения зем­

ной коры и во времени изменяется очень медленно. При изу­

чении геологических процессов в относительно короткие

геологические эпохи изменением плотности теплового по­

тока Земли можно пренебречь.

Вертикальная нисходящая фильтрация пластовых вод возни­

кает в плотных породах лишь при наличии вертикальной прони­

цаемости осадочной толщи. Вертикальная проницаемость созда­

ется в уплотненных породах системой разветвленных макро- и

микротрещин, появляющихся в результате процесса уплотнения

пород и подвижек блоков кристаллического фундамента, кото­ рые проявляются в вышележащих горизонтах. Средние значения

вертикальной проницаемости осадочной толщи невелики. Для

Непско-Ботуобинской антеклизы она составляет, как будет по­

казана ниже, около I0- 17 м2 •

Уменьшение давления в порах плотных пород за счет появ­

ления микротрещиноватости постепенно компенсируется по­

ступлением воды из смежных пор. Другими словами, нисходящая

фильтрация воды по этой модели может существовать доста­

точное время лишь при условии непрерывного изменения сред­

негодовой температуры на поверхности Земли.

Из рис. 3, б следует, что во всем интервале однородной толщи

наблюдается снижение парового давления. Однако в верхней

части разреза, до глубины h = 4500 м, наблюдаемый градиент

давления поровых вод ме_ньше нормального гидростатического

давления: (др 1 дh)наб < gSo; при поиижении температуры недр

должна наблюдаться нисходящая фильтрация вод.

Отметим, что толщина осадочного покрова большинства плат­ форменных осадочных бассейнов не превышает .3000 м.

В интервале h = 450076500 м (др 1 дh)н < gов и в данном

интервале сохраняется <<застойный» в_рдны~6 режим. Однако на

глубинах свыше 6500 м (др 1 дh)наб < gов и в этой области разре­

за должна наблюдаться более слабая восходящая фильтрация

подземных вод, т. е. в рассматриваемой конкретной модели

область «стока» подземных вод при поиижении температуры недр

находится в интервале глубин 4500-6500м.

20