Bài giảng Địa chất dầu khí (Petroleum geology)

CHÖÔNG 06

MOÂI TRÖÔØNG NGAÀM

I. NƯỚC DƯỚI ĐẤT (GROUND WATER)

II. NHIỆT ĐỘ (TEMPERATURE)

III. ÁP SUẤT

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. Mariô t (1580-1650) thuyết

này giải thí ch sự hì nh thành nước dưới đất là do mưa ngấm vào

đất đá. Sau đó được Lô mô noxô p bổ sug thêm bằg thuyết địa hó a

2. Thuyết ngưng tụ đề ra bởi Đêcat 1962, Hô n 1663, Fô nge 1887

theo thuyết này hơi nước xâ m nhập vào đất đá cùng với khô ng khí

sau đó được ngưng tụ lại.

3. Thuyết nước sơ sinh của nhà địa chất Á o Zusơ vào đầu thế kỷ

XX: Nguồn gốc nước dưới đất là do hơi nước và cá c sản phẩm

dạng hơi tá ch ra từ macma nó ng chảy ở trong lò ng sâ u của trá i đất;

khi xâ m nhập vào cá c đới bên trong vỏ trá i đất chúng bị ngưng tụ

lại.

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

này nước dưới đất ở cá c đới sâ u là nước tàn dư của cá c khu vực

nước cổ đã bị chô n vùi cùng với đất đá trầm lắng.

I.2. PHÂN LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Có nhiều cá ch phâ n lọai nước dưới đất nổi bật là :

- Cá ch phâ n lọai của Xavarenxky dựa trên cá c điều kiện

phâ n bố, á p lực, đặc điểm vận động, nguồn gốc, cấu

trúc địa chất, tí nh phâ n đới khí hậu, nhiệt độ, đới địa hó a

và thành phần hó a 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.

- Cá ch phâ n loại Ovtsinnicov và Klimentov lại dựa trên cơ

sở tàng trữ, đặc điểm á p lực, động thá i, nguồn gốc và

khả năng sử dụng nước trong nền kinh tế quốc dâ n. Đây

là cá ch phâ n 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 trá i đất có

ý nghĩa lớn đối với cá c họat động kinh tế của con người,

được phâ n thành ba đới riêng biệt:

a. Đới thô ng khí : liên quan với khí quyển. Nước mặt và nước

mưa ngấm qua đới này. Một phần lỗ hổng của đới luô n luô n

chứa khô ng khí .

b. Đới mao dẫn: phâ n bố trên tầng nước ngầm. Tại đới này

những lỗ hổng nhỏ dạng sợi chứa đầy nước, cò n cá c lỗ

hổng lớn hơn khô ng chứa nước.

c. Đới bã o hò a: chí nh là lớp nước ngầm, trong đó tất cả cá c lỗ

hổng đều chứa đầy nước. Nằm dưới đới này là đất đá cá ch

nước hoặc thấm yếu.

* Đặc điểm: NTT phâ n bố ở những độ sâ u khô ng lớn lắm (0,5m

– 10m), bề dày mỏng, diện phâ n bố hạn chế mực nước dao

động mạnh theo cá c điều kiện thời tiết…

* Thành phần hó a học: nước thượng tầng bị khoá ng hó a yếu

nhiều khi bị nhiễm bẩn cá c hợp chất hữu cơ

Mưa

Đới

mao dẫn

Đới thông khí

Đới bảo hòa (dòng ngầm)

Mô hình phân bố nước thượng tầng

2. Nước ngầm (nước khô ng á p lực): là nước của tầng chứa

nước liên tục nằm phí a trên tầng cá ch nước đầu tiên tí nh từ

bề mặt trá i 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 khô ng thấm nước nằm dưới tầng chứa nước là lớp

cá c nước hoặc đáy cá ch nước.

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

mặt. Miền cung cấp và miền tàng trữ của nó trùng nhau và

tạo ra cá c mạch nước ở vùng thoá t.

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

kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hó a học của

chúng.

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

điều kiện khí hậu, lọai đất đá ở đới thô ng khí và cá c bồn

nước mặt.

b

a

Mưa

2

3

7

6

8

4

H

1

5

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 á p lực): nằm giữa hai đáy cá ch nước (2)

và (3), có cột á p lực cao hơn đáy cá ch nước trên và vận

động thấm do độ chênh á p lực. Do bị lớp cá ch nước hoặc

lớp đất có tí nh thấm nước ké m phủ liên tục ở bên trên, tạo

ra á p lực và khô ng có mặt thó ang tự do (trừ miền cung cấp

và vùng thó at).

* Đặc điểm: Mực nước á p lực phá t hiện được khi khoan thủng

đáy cá ch nước trên gọi là mực nước xuất hiện, mực nước

này ở sâ u hơn mực nước xá c 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 sâ u nên nước á p lực có độ sạch cao,

lưu lượng tương đối ổn định, động thá i của nó í t thay đổi

theo mùa.

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

kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ và thành phần hó a học của

chúng.

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

xúc với nước ngầm do nước mưa và nước ở cá c bồn nước

thấm xuống, độ khó ang hó a thường thấp và khô ng ổn định;

đọan ở sâ u, độ khó ang hó a thường cao, thành phần hó a

học ổn định.

LK3

Đường mực áp lực

LK2

a₁

a

b

b₁

LK1

Sơ đồ tầng chứa nước có áp dạng nếp võng

Tên kiểu Đặc trưng

chí nh áp lực

Các lọai

nước dưới

đất chính

Miền

Đặc điểm

Nguồn

gốc

Phạm vi sử

dụng

cung cấp động thái

và miền

tàng trữ

của nước

Nước

thượng

tầng

Khô ng á p Nước lầy,

nước thổ

Trùng

nhau

Khô ng

thường

xuyên

Nước

ngấm là nghiệp, cho

cơ bản

Nô ng

nhưỡng,

nước đóng

băng…

các cơ sở

nhỏ

Nước

khô ng á p

Thường

Trầm tích

aluvi, cá c

thung lũng

sông, lớp

phủ miền núi,

tầng cát ven

biển

Trùng

nhau

Mực nước Nước

dao động

theo mùa, cơ bản, hoặc giếng

Dùng cấp

ngấm là nước tưới

khô ng á p

bốc hơi,

ngấm, áp

lực cục bộ

ngưng

tụ

khơi

Actêzi

Có á p

Mỏ dầu,

nước

khó ang,

nước công

nghiệp, nước

nó ng

Khô ng

trùng

nhau

Thay đổi

do áp lực

Ngấm ở Cấp nước

xa và

nguyên

sinh

chí nh (CN),

khai thá c

nguyên tố

hiếm,

khoá ng

chữa bệnh.

1.1- NƯỚC 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 loại nước dưới đất

Meteoric water

(do nước mưa ngấm xuống)

(phâ n bố ở độ sâ u nhỏ .)

(thành phần khoá ng hoá : thấp)

có xu hướng bị oxy hoá

pH: (thường là acid bởi vì sự phâ n huỷ mùn

hửu cơ,, carbonic và nitrous acids.)

Connate water

nước biển cổ nạp bẩy trong quá trì nh chô n vùi

trầm tí ch.

PH, vaø EH: Khá c với nước biển ở cả hai

phương diện hàm lượng muối, Ph, Eh.

04 Types of GW (cont.)

Juvenile water

(có nguồn gốc magma.)

phâ n huỷ từ magma khi nó di chuyển lên gần

mặt đất.

Thường hoà lẫn với connate hoặc meteoric

water.

Mixed water

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 sâ u thì độ Eh và

Ph biến đổi ở một khoảng rộng , nó phụ thuộc

vào lịch sử trầm tí ch và độ lẫn lộn của nó với

nước mưa..

Nước ở cá c mỏ dầu có xu hướng nhiều kiềm

hơn và có tí nh 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 khoá ng vật sé t trong đá , cần phải hiểu sự

liên hệ giữa Ph và Eh tới sự tạo đá và sự phá t

triển của lỗ rỗng ..

T/C hoá học của nước dưới đất

Hàm lượng muối

Mô t cá ch tổng quá t , 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 khá c , từ nơi này tới nơi khá c

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 (khô ng

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.

Bài giảng Địa chất dầu khí (Petroleum geology) - Chương 6: Môi trường ngầm