Миграции флюидов на небольших глубинах

10.07.2018
Близ поверхности земли, до глубин, которых достигают буровые скважины и горные выработки, поведение подземных флюидов изучено детально; но даже и в этом случае наши знания оказываются недостаточно полными. В число факторов, необходимых для решения вопроса о движении флюидов на небольших глубинах, входят: свойства флюида, особенно его вязкость и плотность; характер пород, через которые движется флюид, особенно их пористость и проницаемость; и, наконец, гидравлический напор, или давление жидкости. Нетрудно видеть, что исследование движения флюидов — дело чрезвычайно сложное, так как это движение зависит от количества вещества в растворе, наличия или отсутствия газов, характера и гетерогенности вмещающих пород, геологического строения данного участка, а также от температуры и давления флюидов. Многие проблемы, касающиеся миграции флюидов в глубинных условиях, встают перед нами и при изучении движения близповерхностных флюидов. Столь же спорной оказывается относительная роль газов и жидкостей, а также значение диффузии.

Простейшим и, вероятно, основным законом, описывающим движение флюидов в подземных условиях, является закон Дарси. Этот закон устанавливает зависимость количества флюида, способного просочиться через пористую среду, от скорости перемещения флюида, проницаемости материалов, через которые проникает флюид, и гидравлического градиента системы. С 1856 г., когда Дарси впервые сформулировал свой закон, этому вопросу было посвящено много исследований; в результате были внесены поправки, касающиеся частных условий. Основной же закон Дарси, как было доказано, достаточно близко отражает действительные соотношения. В простейшем виде закон Дарси можно выразить следующей формулой:
Миграции флюидов на небольших глубинах

где V — скорость движения жидкости; h — разность напора между противоположными концами колонки материала, через которую движется флюид; I — длина колонки, или расстояние, пройденное флюидом; k — константа, зависящая от природы флюида и материала, через который флюид просачивается.

Количественное выражение закона Дарси определяется следующей формулой:

где Q — измеренное количество флюида, К — константа, зависящая от природы среды (коэффициент проницаемости), (P1—P2) — разность давлений (напор) флюида, А — рассматриваемая площадь поперечного сечения, u — вязкость флюида, l — длина колонки, или расстояние, пройденное флюидом.

Эта формула в том или ином виде широко используется при расчетах ламинарного течения воды или других жидкостей через гомогенные проницаемые среды. Закон Дарси в рассмотренном виде неприменим в случае турбулентного течения (движение жидкостей с высокими скоростями, при которых в потоке образуются завихрения). По всей вероятности, турбулентное течение образуется только в необычно больших полостях и не имеет серьезного значения для движения рудоносных растворов.

Хабберту удалось показать, что в процессе миграции флюидов, содержащих нефть, газ и воду, эти три компонента разделяются и мигрируют с разными скоростями и в различных направлениях. Этот вывод справедлив не только в отношении нефти, газа и воды, но и вообще всех флюидов на малых глубинах. Если хоть один флюид из каждой пары системы нефть — газ — вода движется не в вертикальном направлении, поверхности разделов в этой системе не будут горизонтальными; иными будут и пути движения газовых пузырьков или нефтяных капель в движущейся воде. Другими словами, движущие силы для нефти и газа не будут параллельными и эти два флюида будут мигрировать в разных направлениях к различным ловушкам или к разным частям одной и той же ловушки. Полагают, что поскольку рудоносные флюиды во многих случаях состоят одновременно из жидкости и газа, то их поведение аналогично поведению нефти, газа и воды, а поэтому в процессе миграции они будут стремиться к разделению. Жидкости с различными плотностями во время миграции также будут следовать разными путями, если только они представляют собой отдельные флюиды. Это явление было продемонстрировано для поверхности раздела в системе соленая вода — пресная вода. На основании соотношений, установленных Хаббертом, может оказаться, что миграция гидротермальных растворов происходит вдоль верхней части горизонта подземных вод и что эти растворы концентрируются на некотором расстоянии от гребней складок. Томпсон, основываясь на принципах термодинамики, предположил именно такой путь движения рудоносных растворов, образовавших ртутные месторождения района Терлингуа в Техасе. Следовательно, причиной зональности оруденения вокруг его источника может являться разделение, например, жидкой и газовой фаз. Тем же явлением можно объяснить и образование мономинеральных месторождений, таких, как месторождения киновари, где другие сульфидные минералы обычно или отсутствуют, или встречаются лишь в самых незначительных количествах.

Если в близповерхностных условиях диффузия через относительно сухие породы, как полагают многие геологи, не имеет большого значения для переноса рудообразующих веществ, то диффузия через раствор, насыщающий горные породы, обычно считается весьма существенной. Например, руды часто концентрируются в проницаемых пластах под глинистыми сланцами или под иными относительно непроницаемыми породами; однако встречаются случаи, когда руды, образованные, казалось бы, восходящими растворами, концентрируются в благоприятных породах над непроницаемыми пластами. По-видимому, такая аномальная ситуация может возникнуть в результате диффузии ионов через насыщенные водой породы (фиг. 3.5). Если растворимая соль привносится снизу в толщу переслаивающихся насыщенных, относительно проницаемых и непроницаемых пород, то в соответствии с градиентом концентрации эта соль стремится диффундировать через такую толщу, даже если поровые воды и не циркулируют. Поскольку норовые флюиды не могут просочиться через такую толщу, флюид в каждом слое приобретает состав, равновесный по отношению к вмещающей породе. Наличие химически благоприятного горизонта непосредственно над непроницаемым пластом будет вызывать немедленное осаждение металлов по мере поступления из зоны диффузии. Замещаемые компоненты диффундируют в противоположную сторону через непроницаемый горизонт.

Некоторые геологи рассматривали давление растущих кристаллов как достаточно эффективную силу, способную раздвинуть стенки трещин и благоприятствующую движению флюидов. Несомненно, что растущие кристаллы развивают значительное давление, как это видно из примеров, когда лед раскалывает горные породы или разрывает картер автомобиля. Однако сила растущих кристаллов ограничена внутренней прочностью кристаллов; если этот предел превзойден, кристаллы будут изгибаться или рост их прекратится. Следовательно, трудно предположить, чтобы сила растущих кристаллов была достаточной для раздвигания трещины в породах земных глубин. И все же при небольших нагрузках эта сила может оказаться весьма существенной.