Сущность и практическая значимость геологических наук при изучении месторождений полезных ископаемых

Геология до середины XIX в. развивалась как наука, призванная обеспечивать поиски, разведку и отчасти разработку месторождений твердых полезных ископаемых [3, 6, 39, 61]. Задачи, которые в настоящее время определяются как гидрогеологические, инженер- но-геологические и как задачи, связанные с поисками, разведкой и разработкой нефтяных и газовых месторождений, решались изна- чально преимущественно на основе приобретаемого опыта. Так, вода большей частью вообще не включалась в перечень полезных иско- паемых, а при выборе мест для строительства особой нужды в использовании территорий с грунтами сомнительной устойчивости не было. Добыча же углеводородов велась в крайне малых масштабах с применением кустарных методов. С прагматических позиций во- просы движения флюидов в земных недрах большого интереса со стороны геологов не вызывали.

И все же эти задачи не могли не возникнуть перед исследовате- лями, когда с середины XIX в. в процессе дифференциации от геоло- гии отпочковался ряд самостоятельных геологических дисциплин. Так, в это время в геологии и ряде других отраслей естествознания возникают научные направления, заложившие в совокупности осно- вы гидрогеологии – науки о подземных водах. Эмпирические знания о подземных водах накапливались со времен далекой древности, что было обусловлено неуклонно растущими практическими потребно- стями человека (водоснабжение, борьба с притоком воды в горных выработках и т. д.). По мере развития геологии, начиная с начала XIX в., все полнее выяснялась роль подземной воды в процессах, изу- чаемых этой наукой (оползни, карст, гидратация и др.). По мере развития буровой техники объектом познания становятся все более глубокие подземные воды.

Гидрогеология является наукой о подземной гидросфере, изу- чающей ее эволюцию, составные компоненты, протекающие в ней процессы, влияние на подземную гидросферу других оболочек Зем- ли, закономерности пространственного распределения скоплений

подземных вод, ресурсы, свойства, состав, режим подземных вод в связи с решением строительных, мелиоративных, экологических, поисковых, промышленных и других задач [44, 62, 74]. Нахождение воды в недрах Земли подчинено геологическому строению террито- рий. Пласты проницаемых горных пород образуют водоносные го- ризонты, по зонам тектонических нарушений вода может перетекать из одного водоносного горизонта в другой. Изучение факторов взаимодействия водоносных горизонтов на разных глубинах залега- ния, областей питания и разгрузки (поверхностные и подземные во- доемы, скважины, колодцы) и определение границ взаимодействия являются одними из основных проблем современной гидрогеоло- гии. В свою очередь, собственно гидрогеология как наука раздели- лась на ряд направлений.

Динамика подземных вод решает задачи, связанные с переме- щением подземных вод между различными геологическими объекта- ми и различными формами движения данных вод – фильтрацией, конвекцией, диффузией и др. [79, 91]. Следует отметить, что от вся- ких других вод Земли подземные отличаются тем, что тесно связаны с горными породами и минералами, слагающими эти горные поро- ды – т. е. вода находится в почвах и горных породах земной коры в любых физических состояниях, включая и химически связанное [14, 16, 44]. Динамика подземных вод опирается на так называемую теорию фильтрации, которая базируется на представлении о сплош- ном потоке подземных вод. Но в рамках многих современных услож- ненных задач, решаемых гидрогеологами, выясняется, что примене- ние понятия «сплошной поток» некорректно ввиду того, что реаль- ный поток зависит от структуры порово-трещинного пространства вмещающих пород, что раньше не учитывалось.

Региональная гидрогеология изучает формирование подзем- ных вод и пространственно-временные особенности размещения во- ды в недрах Земли. Предметами изучения региональной геологии являются крупные геологические тела – тектонические блоки земной коры (например, Восточно-Европейская равнина и др.), в которых выделяется ряд крупных гидрогеологических комплексов. Основны-

ми задачами, решаемыми региональной гидрогеологией, являются пространственная задача, связанная с геологическими телами, и вре- менная, связанная со стратиграфическим расчленением геологи- ческих тел и с геохронологией самой воды (время появления ее в геологическом теле и время, когда она покидает его по каким- либо причинам). Становление и развитие региональной гидрогеоло- гии проходило на основе геологической съемки, что и привело к воз- никновению картографии подземных вод. По мере накопления фак- тического материала в первой половине XX в. было сформулирова- но представление о зональности распределения грунтовых вод. С 30–40-х гг., с началом бурения все более глубоких скважин, очень актуальной становится проблема вертикальной гидрогеохимической и гидродинамической зональности подземных вод.

К середине XX в. в изучении и решении проблемы зонально- сти подземных вод выделилось несколько основных направлений [62, 74]:

– изучение условий, при которых закономерности вертикальной зональности (динамика, геотермика) начинают преобладать и ниве- лировать влияние горизонтальной зональности и ландшафтности;

– исследование изменения зональности грунтовых вод в зави- симости от климата и других условий, эволюционирующих в ходе геологического времени;

– решение большого комплекса вопросов выявления законо- мерностей вертикальной гидрохимической и гидродинамической зональности;

– исследование развития вертикальной зональности в геоло- гическом времени и зависимость ее от вертикальных движений земной коры.

Одним из самых распространенных в наши дни подходов к решению гидрогеологических задач в свете ГСГТ является гео- фильтрационная схематизация разреза, которая основана на выделе- нии некоторых геологических тел (систем), внутренняя гидравличе- ская связность которых существенно теснее их связности с окру- жающими телами. Именно выделение упомянутых тел представляет

наибольшую проблему при изучении динамики подземных вод (и в частности при исследовании нефтегазоносных залежей). Ввиду недостаточного количества информации весьма проблематично осу- ществить переход от дискретных данных к объемной (площадной) модели изучаемого геологического тела. Поэтому при недостатке единичных фильтрационных определений в разрезе скважин удовле- творительная экстраинтерполяция фактических данных может быть обеспечена только на основе выявления пространственных законо- мерностей изменения свойств разреза при использовании результатов интерпретации материалов ГИС [23, 58, 67].

Инженерной геологией – одним из наиболее важных практиче- ских приложений гидрогеологических знаний – изучаются простран- ственные изменения свойств разреза на более низком иерархическом уровне. Предметом изучения инженерной геологии [38, 39] являются горные породы, почвы, используемые в качестве оснований различ- ных сооружений. Накопление практического опыта началось с мо- мента создания мощных строительных сооружений (храмы, гробни- цы-пирамиды, амфитеатры, акведуки и др.). Развитие сети инфра- структур, строительство дорог, гидротехнических, промышленных сооружений, связанное с развитием новых социально-экономических отношений в начале XIX в., дало мощный толчок для развития инже- нерно-геологического направления в геологии.

Большое внимание в инженерной геологии уделяется изуче- нию динамики геологических процессов под влиянием техниче- ских (сооружения) и естественных факторов (карстовые явления и др.), выявлению законов, управляющих этой динамикой. С нако- плением необходимого количества фактического материала в 1930-х годах ученые приступили к разработке двух проблем – составления инженерно-геологических карт и методов определе- ния основных физико-механических свойств пород. Была разра- ботана инженерно-генетическая классификация горных пород, являющаяся основой для составления карт и профилей.

Состав, химические и физические свойства грунтов и почв не- разрывно связаны с распространением воды. Физическое состояние,

химический состав воды, ее влияние на горные породы предполагает необходимость детального и всестороннего изучения воды. В частно- сти, изучение растворов, включений, адсорбированной и капилляр- ной воды в середине XX в. привело к необходимости изучения и учета состава, структурных особенностей, свойств и роли поровой и связанной воды в глинистых грунтах [38, 44, 88]. Свойства воды могут меняться в пространстве и во времени. Характер изменения зависит от того, воды каких горизонтов могут смешиваться между собой. В отличие от региональной геологии, рассматривающей большие площади (например, Восточно-Европейскую равнину) и вы- деляющей ряд крупных геологических комплексов, инженерная гео- логия рассматривает геологические тела меньшего масштаба – выде- ление водоупоров, зон повышенной проницаемости какой-либо за- страиваемой территории и т. п.

Геология нефти и газа – направление геологии, изучающее го- рючие ископаемые – нефть и газ, возникло одновременно с выделе- нием гидрогеологии в отдельную науку. До конца XIX в. добыча нефти велась кустарным способом (колодцы, желонка). С увеличени- ем потребностей в углеводородном сырье при возросших темпах раз- вития промышленности началась оптимизация и упорядочивание процесса добычи. Наиболее широко эта отрасль начала развиваться в XX в., когда для добычи нефти стали использовать бурение, что резко обострило интерес к объектам – залежам нефти, находящимся на глубине. Наряду с проблемой происхождения нефти и условиями формирования ее залежей, широко освещенной в литературе с самого начала развития геологии нефти и газа как науки, изучались и зако- номерности распространения нефти и газа, условия залегания, про- блемы миграции и аккумуляции их в горной породе [5, 46, 64, 83]. Миграцией нефти и газа является любое перемещение этих веществ в земной коре [16]. Выделяют первичную миграцию – процессы пе- редвижения нефти в нефтематеринских породах, включая их проник- новение в коллектор, и вторичную – миграция в коллекторе, приво- дящая к образованию залежей (аккумуляция). Физическая природа явления первичной миграции в настоящий момент не совсем ясна,

многими исследователями высказывались различные предположения [43, 94]. Представления о механизмах процессов аккумуляции также разнообразны. В начале ХХ в. получила развитие теория процессов аккумуляции нефти в залежи за счет разности плотностей и сил по- верхностного натяжения [21]. М. Менн считал, что движение нефти происходит в потоке отжимающихся седиментационных вод [94]. Также был высказан ряд предположений о возможном физическом состоянии углеводородов во время вторичной миграции: жидком [46], газообразном или в виде газонефтяного раствора, в свою оче- редь, растворенного в пластовой воде [83]. В 1954 г. была выдвинута гипотеза дифференциального улавливания, согласно которой при ре- гиональной миграции по проницаемым пластам происходит последо- вательное заполнение ловушек: первые ловушки, расположенные на пути миграции, заполняются газом, вторые – легкой нефтью, сле- дующие – окисленной нефтью, и в конце – водой [5, 15]. Необходимо отметить, что при любых механизмах процессов перемещения и на- копления углеводородов основным условием миграции является на- личие гидродинамической связности, а аккумуляции – наличие раз- делов, обусловленных геологическими свойствами горных пород.

Начиная с 20-х гг. XX в. горные породы стали рассматривать- ся как вместилища нефти и газа, была изучена пористость и грану- лометрический состав горных пород. Новые данные позволили подсчитать запасы нефти по месторождениям Апшеронского по- луострова (Д. В. Голубятников, 1924). В эти же годы было поло- жено начало исследованиям по выбору рациональных систем раз- работки пластов-резервуаров (И. Н. Стриженов, М. И. Абрамович). Эти работы дали толчок к выделению отдельной науки, изучаю- щей месторождения и залежи нефти и газа в естественном состоянии и в процессе разработки для определения их экономи- ческого значения – нефтегазопромысловой геологии.

В 30-х гг. были выделены три направления нефтепромысловых исследований – собственно нефтепромысловые исследования, под- счет запасов нефти и газа и изучение коллекторских свойств горных

пород и продуктивного пласта в целом. Фактически эти задачи нельзя решить без привлечения геофизических методов исследований сква- жин, впервые примененных в эти же годы [10, 25, 29, 30, 33, 47]. При подсчете запасов нефти и газа возникает проблема оконтуривания, которая выходит на первый план при выборе рациональной системы разработки (выделение эксплуатационных объектов, зон с отсутстви- ем препятствий для движения флюидов и зон с затрудненным обме- ном, гидродинамических разделов), т. е. расчленение нефтяных и га- зовых месторождений на отдельные залежи и выделение подсчетных объектов [34, 64, 91, 92].

В середине XX столетия оформляется самостоятельное учение о разработке месторождений [7, 35], базирующееся на данных про- мысловой геологии, подземной гидродинамики и экономики [4, 63].

Постоянно повышающиеся требования к рациональной экс- плуатации нефтяных месторождений требуют более детальной информации о продуктивных горизонтах: необходимы данные об изменении коллекторских свойств пород в пространстве, измене- нии свойств насыщающих флюидов, режимах залежей, связи с областями питания, как по всему разрезу, так и по латерали.

Промыслово-геологическая служба нефтяной и газовой от- расли, занимающая важное место в геологической службе в целом, осуществляет разведку, проектирование и разработку нефтегазо- вых месторождений. Эта служба производит оценку  качества и количества запасов углеводородного сырья, участвует в состав- лении проектов эксплуатации и разработки месторождений, изуча- ет геологические, горнотехнические, гидрогеологические и др. ус- ловия разработки месторождений с целью более полного извлече- ния из недр нефти, газа и попутных компонентов.

Залежь нефти и газа, введенная в разработку, представляет собой неразрывное целое – систему, состоящую из двух компонен- тов: геологического (сама залежь) и технического (система разра- ботки). Это целое называют геолого-техническим комплексом (ГТК). Саму залежь рассматривают в динамике на основе специальных

наблюдений и замеров в добывающих, нагнетательных, контроль- ных и других скважинах.

Основным предметом изучения нефтепромысловой геологии [7, 36, 37] как раз выступают залежи нефти и газа, подготавливаемые к разработке и разрабатываемые, которые можно рассматривать со- ответственно как статические или динамические геологические сис- темы. При постановке различных целей изучения одного и того же геологического тела (системы) может наблюдаться распадение эле- ментов системы, раньше считавшихся неделимыми. Например, для решения вопросов литологии геологическое тело (статическая система) предстает перед исследователями как простое, а для решения задач разработки (тело рассматривается как динамиче- ская система) может оказаться сложным, расчлененным на элемен- ты, обладающими разными свойствами, в частности, продуктив- ная залежь распадется на пласты, имеющие различную прони- цаемость. Свою лепту в системные исследования геологических дисциплин внесли Ю. А. Воронин, Л. Ф. Дементьев, Ю. А. Караго- дин, Ю. А. Косыгин и др. [27, 59, 84, 85].

Так, в работе [34] предлагается выделять следующие струк- турные уровни геологической системы: 1) элементарные частицы горной породы (зерна породы и т. д.); 2) произвольное геологиче- ское тело (образец горной породы); 3) ограниченная часть прослоя, сложенная коллекторами и неколлекторами; 4) пласт однотипной породы; 5) крупный пласт как резервуар для жидкости или газа;

6) часть залежи (чисто нефтяная, газовая и т. д.); 7) залежь – экс- плуатационный объект. Как было отмечено, каждый более высо- кий уровень системы обладает своими эмерджентными свойства- ми, не присущими нижестоящим в иерархическом порядке уров- ням системы [27, 34].

Нахождение связи между различными уровнями геологиче- ской системы, как и взаимодействие различных систем (геологиче- ских тел), является одной из важных проблем, стоящих перед неф- тепромысловой геологией. Т. к. невозможно определить причину,

например, появления воды в продукции нефтяной скважины, не зная механизма перемещения, свойств проницаемых прослоев и их связи с областью питания. Подобные случаи вносят свои коррек- тивы в процесс разработки залежей и являются доказательством необходимости изучения гидродинамической связности внутри и между геологическими телами. Изучение гидродинамической связности возможно через детализацию свойств горных пород, на- пример проницаемости, для получения как можно большего объе- ма достоверного материала как для определения искомого свойст- ва по латерали (карты), так и по горизонтали (профили).

В своем полном объеме проблема ГСГТ высветилась только в 20-х гг. XX в. в связи с развитием научного обеспечения поис- ков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. При этом перед исследователями встал ряд проблем, требующих разрешения:

– выделение нефтегазоводоносных комплексов в связи с про- гнозированием нефтегазоносных провинций и регионов;

– выделение нефтепродуктивных и газопродуктивных гори- зонтов при поисках и разведке месторождений нефти и газа;

– расчленение нефтяных и газовых месторождений на от- дельные залежи и выделение подсчетных и эксплуатационных объектов;

– построение систем добывающих и нагнетательных скважин и управление работой скважин, вскрывающих несколько пластов (элементарных эксплуатационных объектов);

– анализ разработки одно- и многопластовых залежей.

Все эти проблемы могут быть успешно решены с выявлением непроницаемых и слабопроницаемых разделов по вертикали и в ла- теральных направлениях.

Следует подчеркнуть, что для изучения геологического строе- ния месторождения или залежи, как было отмечено выше, огром- ную роль играют методы ГИС (см. часть II настоящего учебного пособия), с помощью которых решаются такие геологические за-

дачи, как литологическое расчленение разрезов скважин (в том числе и расчленение соленосных отложений), выделение коллек- торов и межскважинная корреляция по материалам ГИС, фациаль- но-циклический анализ горных пород по разрезу скважин, по- строение геофильтрационных и гидродинамических моделей.

 

Использование методов ГИС