MÔI TRƯỜNG NGẦM (cơ sở KHOA học địa CHẤT dầu KHÍ SLIDE)

Thuyết về nguồn gốc tàn dư của nước dưới đất theo thuyết này nước dưới đất ở các đới sâu là nước tàn dư của các khu vực nước cổ đã bị chôn vùi cùng với đất đá trầm lắng... PHÂN LOẠI NƯỚ

CHƯƠNG 06

MÔI TRƯỜNG NGẦM

I NƯỚC DƯỚI ĐẤT (GROUND WATER)

II NHIỆT ĐỘ (TEMPERATURE)

III ÁP SUẤT

MÔI TRƯỜNG NGẦM

I NƯỚC DƯỚI ĐẤT

I.1 CÁC THUYẾT VỀ NGUỒN GỐC VÀ

SỰ HÌNH THÀNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT

• 1 Thuyết ngấm đề ra bởi Palixi và E Mariôt (1580-1650) thuyết

này giải thích sự hình thành nước dưới đất là do mưa ngấm vào đất đá Sau đó được Lômônoxôp bổ sug thêm bằg thuyết địa hóa

• 2 Thuyết ngưng tụ đề ra bởi Đêcat 1962, Hôn 1663, Fônge 1887

theo thuyết này hơi nước xâm nhập vào đất đá cùng với không khí sau đó được ngưng tụ lại

• 3 Thuyết nước sơ sinh của nhà địa chất Áo Zusơ vào đầu thế kỷ

XX: Nguồn gốc nước dưới đất là do hơi nước và các sản phẩm dạng hơi tách ra từ macma nóng chảy ở trong lòng sâu của trái đất; khi xâm nhập vào các đới bên trong vỏ trái đất chúng bị ngưng tụ lại

• 4 Thuyết về nguồn gốc tàn dư của nước dưới đất theo thuyết

này nước dưới đất ở các đới sâu là nước tàn dư của các khu vực nước cổ đã bị chôn vùi cùng với đất đá trầm lắng

I.2 PHÂN LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Có nhiều cách phân lọai nước dưới đất nổi bật là :

bố, áp lực, đặc điểm vận động, nguồn gốc, cấu trúc địa chất, tính phân đới khí hậu, nhiệt độ, đới địa hóa và thành phần hóa

học Nước dưới đất được chia thành: nước thổ nhưỡng, nước

lầy, nước thượng tầng, nước ngầm, nước atêzi, nước cactơ và nước khe nứt.

tàng trữ, đặc điểm áp lực, động thái, nguồn gốc và khả năng sử dụng nước trong nền kinh tế quốc dân Đây là cách phân loại tiện dụng và tương đối phổ biến hiện nay Nước dưới đất được

chia thành: nước thượng tầng, nước ngầm và nước atêzi

1 Nước thượng tầng: Tồn tại phần trên cùng của vỏ trái đất có ý

nghĩa lớn đối với các họat động kinh tế của con người, được phân thành ba đới riêng biệt:

a Đới thông khí: liên quan với khí quyển Nước mặt và nước mưa

ngấm qua đới này Một phần lỗ hổng của đới luôn luôn chứa không khí.

b Đới mao dẫn: phân bố trên tầng nước ngầm Tại đới này những lỗ

hổng nhỏ dạng sợi chứa đầy nước, còn các lỗ hổng lớn hơn không chứa nước.

c Đới bão hòa: chính là lớp nước ngầm, trong đó tất cả các lỗ hổng

đều chứa đầy nước Nằm dưới đới này là đất đá cách nước hoặc thấm yếu.

* Đặc điểm: NTT phân bố ở những độ sâu không lớn lắm (0,5m –

10m), bề dày mỏng, diện phân bố hạn chế mực nước dao động mạnh theo các điều kiện thời tiết…

* Thành phần hóa học: nước thượng tầng bị khoáng hóa yếu nhiều

khi bị nhiễm bẩn các hợp chất hữu cơ

Đới thông khí

Đới mao dẫn

Đới bảo hòa (dòng ngầm) Mưa

Mô hình phân bố nước thượng tầng

2 Nước ngầm (nước không áp lực): là nước của tầng chứa

nước liên tục nằm phía trên tầng cách nước đầu tiên tính từ

bề mặt trái đất Hệ tầng đất đá bở rời hoặc nức nẻ chứa đầy nước trọng lực gọi là tầng chứa nước hoặc lớp chứa nước Đất đá không thấm nước nằm dưới tầng chứa nước là lớp các nước hoặc đáy cách nước.

* Đặc điểm: Quan hệ thủy lực mật thiết với các bồn chứa nước

mặt Miền cung cấp và miền tàng trữ của nó trùng nhau và tạo ra các mạch nước ở vùng thoát.

* Động thái của nước đặc trưng bởi sự dao động theo mùa, điều

kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học của chúng.

* Thành phần hóa học nước ngầm chịu ảnh hưởng rất mạnh của

điều kiện khí hậu, lọai đất đá ở đới thông khí và các bồn nước mặt.

6

1

2 3

Sơ đồ mặt cắt, cấu tạo tầng nước không áp.

1 – Tầng chứa nước không áp, 2 – Đới thông khí, 3 – Mực nước, 4 – Chiều dòng thấm

5 – Đáy cách nước,6 – Nước áp cục bộ, 7 – Nước thương tầng, 8 – Sông hoặc mạch nước,

a – Miền cung cấp, b – Miền thoát

2 Nước actêzi (nước áp lực): nằm giữa hai đáy cách nước (2)

và (3), có cột áp lực cao hơn đáy cách nước trên và vận động thấm do độ chênh áp lực Do bị lớp cách nước hoặc lớp đất có tính thấm nước kém phủ liên tục ở bên trên, tạo

ra áp lực và không có mặt thóang tự do (trừ miền cung cấp

và vùng thóat).

* Đặc điểm: Mực nước áp lực phát hiện được khi khoan thủng

đáy cách nước trên gọi là mực nước xuất hiện, mực nước này ở sâu hơn mực nước xác định trong giếng khoan sau 24 giờ gọi là mực nước ổn định Miền cung cấp thường ở rất xa

và tầng chứa nước ở sâu nên nước áp lực có độ sạch cao, lưu lượng tương đối ổn định, động thái của nó ít thay đổi theo mùa.

* Động thái của nước đặc trưng bởi sự dao động theo mùa, điều

kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học của chúng.

* Thành phần hóa học nước actêzi rất đa dạng ở những nơi tiếp

xúc với nước ngầm do nước mưa và nước ở các bồn nước thấm xuống, độ khóang hóa thường thấp và không ổn định; đọan ở sâu, độ khóang hóa thường cao, thành phần hóa học ổn định.

a1 a b b1

LK1

LK2

LK3 Đường mực áp lực

Sơ đồ tầng chứa nước có áp dạng nếp võng

Tên kiểu

chính Đặc trưng áp lực nước dưới Các lọai

đất chính

Miền cung cấp

và miền tàng trữ

Đặc điểm động thái của nước

Nguồn gốc Phạm vi sử dụng

Trùng nhau Không thường

xuyên

Nước ngấm là

cơ bản

Nông nghiệp, cho các cơ sở nhỏ

Nước

không áp Thường không áp Trầm tích aluvi, các

thung lũng sông, lớp phủ miền núi,

tầng cát ven biển

Trùng nhau Mực nước dao động

theo mùa, bốc hơi, ngấm, áp lực cục bộ

Nước ngấm là

cơ bản, ngưng tụ

Dùng cấp nước tưới hoặc giếng khơi

Actêzi Có áp Mỏ dầu, nước

khóang, nước công nghiệp, nước nóng

Không trùng nhau

Thay đổi

do áp lực Ngấm ở xa và

nguyên sinh

Cấp nước chính (CN), khai thác nguyên tố hiếm,

khoáng chữa bệnh.

1.1- N ƯỚC DƯỚI ĐẤT

1.1 1 – NGUỒN GỐC NƯỚC DƯỚI ĐẤT

4 LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT

1 Meteoric water.- Nước mưa

2 Connate water.- nước biển cổ

3 Juvenile water.- nước có nguồn gốc liên quan tới hoạt động magma.

4 Mixed water.- nước hỗn hợp

4 lo ại nước dưới đất

Meteoric water

(do nước mưa ngấm xuống)

(phân bố ở độ sâu nhỏ )

(thành phần khoáng hoá: thấp)

có xu hướng bị oxy hoá

pH: (thường là acid bởi vì sự phân huỷ mùn hửu cơ,, carbonic và nitrous acids.)

kết quả của sự pha lẫn 3 loại nước trên.

Usually between the near – surface meteoric water, juvenile and the deeper, more saline connate water.

I.3 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Nước tự nhiên không bao giờ tinh khiết, chúng luôn chứa một lượng các chất khí và chất rắn hòa tan Thành phần dung dịch nước là một hàm của nhiều yếu tố: Thành phần ban đầu của nước, áp suất riêng của pha khí, nhiệt độ, lọai khoáng vật mà nước tiếp xúc, độ pH và thế oxy hóa Eh của dung dịch

a Độ pH: Đặc trưng cho nồng độ ion H+ trong nước qua đó thể hiện

mức độ acid hoặc kiềm của nước

pH = - lg(H+)

- pH = 7 : nước trung tính

- pH < 7 : nước acid

- pH > 7 : nước có tính kiềm

b Thế oxy hóa Eh:(vol) đặc trưng cho các phản ứng oxy hóa – khử xảy

ra trong môi trường nước Thế có dấu dương nếu phản ứng là oxyhóa; âm khi khử

Nếu biết Eh và pH của dung dịch nước, có thể xác định được sự ổn

định của các khóang vật tiếp xúc với nước Ví dụ nước tự nhiên tại các môi trường gần bề mặt thường có pH giữa 4 và 9 thế oxy hóa giữa -0,5 và 1

Fig 01

Với nước đồng sinh ở dưới sâu thì độ Eh và

Ph biến đổi ở một khoảng rộng , nó phụ thuộc vào lịch sử trầm tích và độ lẫn lộn của nó với nước mưa

Nước ở các mỏ dầu có xu hướng nhiều kiềm hơn và có tính khử mạnh hơn so với nước biển.

Eh và pH của chất lưu trong lỗ rỗng quyết định tới khả năng kết tủa hoặc tan rã của ximăng như carbonate và ion oxit , hiểu rõ sự thay đổi của khoáng vật sét trong đá , cần phải hiểu sự liên hệ giữa Ph và Eh tới sự tạo đá và sự phát triển của lỗ rỗng

T/C hoá học của nước dưới đất

Hàm lượng muối

Môt cách tổng quát , hàm lượng muối trong nước dưới đất tăng theo độ (normal hydrochemical profile)-Fig.02 giá trị của độ tăng rất đa dạng

từ bể này đến bể khác , từ nơi này tới nơi khác Nước biển thường hàm lượng muối chiếm khoảng 3.5%.

Hàm lương muối trong nước dưới đất thay đổi từ gần 0% (nước mưa vừa thấm) tới > 600ppthousand (60%) trong connate water (không có mặt thành hệ chứa muối).

Fig 02

Reversal hydrochemical profile have been observed due to

two possible causes:

1 Meteoric can be trapped beneath an unconformity and preserved as “Paleoaquifer” with relative low salinity as compared connate water above the unconformity.

2 Overpressure: In shale sequences, formation water is trapped.

In shale, the increases in salinity with depth is less noticeable than in sandstones: Water moves upwards in compacting sediments, shale acts at semipermeable membranes preventing salt escaping from the sands.

Four major sub environment:

1 Zone 1 (surface → 1km) uniform Zone of circulating meteoric water Salinity fairly uniform;

2 Zone 2 (1 → 3km) gradually increases with depth Saline

formation water is ionized;

3 Zone 3 (3km) Chemically reducing environment, in which hydrocarbons form Salinity uniform with increasing depth; may even decline if overpressured;

4 Zone 4 incipient metamorphism with recrystallization of

clays to micas

• Các mẫu nước được phân tích để xác định:

– Tổng độ khoáng hóa, một số nguyên tố, ion (Cl-, SO42-,

HCO3-, Na+ & K+, Mg2+, Ca2+…)

– Quan hệ giữa các ion

– Xác lập một số quan hệ tỷ lệ, phân loại theo Sulin

– Đánh giá sự thay đổi của độ tổng khoáng hoá theo chiều sâu

• Ngoài ra một số mẫu nước còn được tiến hành phân tích hàm lượng

vi nguyên tố như I, Br, Sr,…

• Tính toán khả năng sa lắng của canxit, thạch cao và sinh khí CO2

tự do

• Đánh giá nguồn gốc, quá trình biến đổi của nước các mỏ.

• Tổng độ khoáng hóa là tổng lượng các nguyên tố hóa học, các hợp

chất của chúng và các khí chứa trong nước Nó được đánh giá theo lượng cặn khô hoặc cặn chặt, sau khi cho nước bốc hơi ở nhiệt độ

1050C – 1100C

• + Phân loại Xulin: Phân loại của Xulin dựa trên

cơ sở phân chia các loại nước theo các tỉ số nhất định của các ion, đặc trưng cho các điều kiện thành tạo khác nhau của nước dưới đất nói chung và đặc biệt với nước dưới đất trong các vùng mỏ dầu khí; vì vậy phân loại này

được sử dụng rộng rãi trong địa chất thuỷ

văn các mỏ dầu khí.

Với đương lượng = Khối lượng ion tìm được (mg/l) chia cho khối

lượng đương lượng (KLĐL).

KLĐL = Khối lượng nguyên tử của ion chia cho hĩa trị của nĩ.

%đl/l là tỷ lệ phần trăm của các anion và cation bằng quy ước

tổng các anion hoặc cation là 50%

 Xulin chia nước DĐ thành 4 loại:

đại lục, được đặc trưng bằng:

• 2 Loại nước bicabonat natri (nước kiềm) có nguồn gốc đại lục, khí quyển được đặc

• 3 Loại nước clorua magie liên quan với

nguồn gốc biển và được đặc trưng bằng:

• 4 Nước clorua canxi (nước cứng) có nguồn gốc biến chất sâu (liên quan với các mỏ dầu khí) được đặc trưng bằng:

• > 1 ; > 1 và <0

• Phân loại Xulin được biểu diễn bằng hai

hình vuông cùng đặt theo một đường

chéo (Fig.03)





rNa rCl

<1 và

2 4

GW Classification by Xulin (Russia)

Fig

03

Oder Catelogy Total dissolved Solids

Oder Catelogy Total dissolved

Solids (mg/l)

I.4 Nước ở các mỏ dầu và khí

Nước luôn đi cùng với giọt dầu, bọt khí từ lúc sinh thành,

di cư cho đến tích lũy vào bẫy chứa Vì vậy, nước đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành giữ gìn hay phá hủy mỏ Do đó, cần hiểu đặc điểm phân bố, tính chất cũng như các đặc tính của nước ngầm ở các mỏ dầu khí

Kiểu nước tương quan với dầu, khí

• Trong các mỏ dầu khí thường tồn tại nước rìa, nước

đáy Ngoài ra, còn có các vỉa nước chứa khí bão hòa nằm ở trên hoặc dưới các vỉa dầu, khí

• Nước rìa là nước chiếm ở phần rìa ranh giới các vỉa dầu

dạng vỉa (H.7.14a), nước đáy là nước chiếm phần dưới của vỉa dầu dạng khối (H.7.14b)

Ranh giới dầu- nước

Dầ u

Nước đáy Dầu

Nước rìa

Ranh giới dầu- nước

a) b)

Hình Mơ hình phân bố các vỉa nước

Phân loại nước theo thành phần hóa học

Xulin V A phân các loại nước sau:

• Nước sulphat–natri là loại nước thẩm thấu từ trên mặt thường có

độ khoáng thấp, vắng mặt trong các mỏ dầu khí Tuy nhiên cũng

có khi là nước ngầm ở các mỏ đá anhidrit, hoặc ở các mỏ lộ lên trên mặt đất, mỏ hở do vi khuẩn khử sulphat hoạt động

• Nước bicacbonat–natri có nguồn gốc là do thẩm thấu hay nước

kiểu ở các bể trầm tích cổ có nguồn gốc biển hay lục địa Hoặc liên quan đến các vỉa, các khối đá cacbonat hoặc do bay hơi từ các trầm tích lục nguyên ở dưới sâu Loại nước này thường gặp ở các mỏ dầu khí

• Nước clorua magnezi có nguồn gốc trầm tích hay thẩm thấu

Hay gặp ở các mỏ dầu có lớp chắn kém hoặc có cửa sổ thủy địa chất Nước biển thấm trực tiếp vào vỉa.

• Nước clorua canxi là nước có nguồn gốc trầm tích hoặc biến

chất từ nước biển ở điều kiện chôn vùi khép kín Loại nước này có nồng độ khoáng hóa cao và thường gặp ở các mỏ dầu khí.

I.5 phân biệt các loại nước nêu trên theo các chỉ tiêu sau đây:

• Nếu tỷ số rNa/rCl > 1 thì xem xét tỷ số (rNa–rCl/rSO4),

nếu tỷ số này < 1 là loại nước sulphat–natri (Na2SO4) còn nếu tỷ số này > 1 là loại bicacbonat natri (NaHCO3) phản ánh nguồn gốc lục địa và trên mặt

• Nếu rNa/rCl < 1 thì xem xét tỷ số (rCL–rNa/rMg), nếu tỷ

số này < 1 nước biến chất yếu và là loại nước clorua magnhe (MgCl2), nếu > 1 nước biến chất mạnh và là loại nước clorua canxi (CaCl2) phản ánh nguồn gốc biển

và được chôn vùi sâu, có liên quan tới sự khép kín của cấu tạo

Ngoài ra còn xét một số chỉ tiêu phụ trợ:

• Tỷ số rSO4/rCl hay rSO4/(rCl + rSO4) đặc trưng cho

mức độ sulphat của nước Hệ số rCa/rMg để phân biệt nước clorua magnezi hay clorua canxi và mức độ biến chất của nước (mức độ trao đổi ion Mg+2 với Ca+2 trong điều kiện khép kín)

• Hệ số Cl/Br phản ánh mức độ biến chất của nước.

• Ví dụ: Cl/Br  300 chỉ ra nguồn nước biển Cl/Br < 300

chỉ ra nguồn nước ở dưới sâu bị chôn vùi Cl/Br > 300 chỉ nước độ kiềm hóa của muối hoặc bị rửa trôi pha loãng

• Hệ số Br/I trong nước chỉ ra mối quan hệ của nước đó

với dầu khí

Ví dụ: Hệ số Br/I  30 chỉ ra nguồn gốc nước có liên quan tới dầu khí, còn hệ số Br/I > 85 phản ánh nước không có liên quan tới dầu khí

• Các mỏ dầu khí thường liên quan chủ yếu tới hai loại

nước đó là bicacbonat–natri (NaHCO3) và clorua canxi (CaCl2) Chúng phản ánh điều kiện khép kín và bảo tồn tốt HC Trong chúng thường vắng ion sulphat (SO4–2) hay có hàm lượng thấp.Có một số vi lượng khá cao

• Ví dụ: Br, I, NH4, B và axit naftenic, fenol và một số khí

HC (metan và các khí nặng khác)

• Một số chuyên gia sử dụng hệ số C2/C3+, nếu tỷ số này

trong nước < 1,3 thì nước có liên quan tới mỏ dầu, còn nếu C2/C3+ > 1,3 thì liên quan tới mỏ khí (C3+ = C3 + C4) Ngoài ra, còn xác định tuổi của nước tức là thời gian tồn tại của nước ngầm ở trong vỉa bằng các tỷ số sau:

T1 = He/Ar  25.106 năm cho khí tự do tách ra khỏi

nước

T2 = He/Ar  125.106 năm cho khí hòa tan trong nước

Trong các mỏ khép kín hệ số He/Ar có giá trị rất cao