22 февраля 2016г.
Задача определения минерального состава шлама бурящейся скважины обусловлена необходимостью составления литологического разреза скважины в целях обнаружения продуктивных пластов. Оптические методы исследования горных пород, в частности инфракрасная спектроскопия, могут успешно применяться для решения этой задачи и относятся к новым и перспективным источникам геофизической информации.
Учитывая то, что поиски новых месторождений характеризуются все более возрастающими трудностями, связанными с проведением геологоразведочных работ в новых, более сложных в геологическом и природно- климатическом отношение районах к методам и аппаратуре, используемым для расчленения литологического разреза скважины предъявляется ряд определенных требований. К подобным требованиями относятся:
· Оперативность проведения исследований [1]. Важно, чтобы время отбора, подготовки и анализа пробы не превосходило бы минимальное время дискретизации изучаемой информации по глубине. Если принять минимальную мощность изучаемых коллекторов равной 1 м и скорость бурения равной 5-10 м/час, что соответствует реальной скорости бурения скважин на глубинах залегания нефтей, то это время составит порядка 6-12 минут. За это время необходимо выполнить отбор пробы, провести подготовку пробу к анализу и выполнить анализ.
· Точность и чувствительность в условиях сложного минерального состава.
· В полевых условиях к аппаратуре анализа предъявляются повышенные требования надежности. Немаловажным является и компактность аппаратуры для возможности свободной установки в салоне транспортного средства.
Инфракрасная спектроскопия, являясь оптическим методом исследования, приобрела наибольшую популярность благодаря универсальности и высокой чувствительности, в т. ч. в целях исследования минерального состава горных пород и нефтесодержания промывочной жидкости. Инфракрасную область спектра условно разделяют на ближнюю (λ = 0,74 - 2,5 мкм), среднюю (λ = 2,5-50 мкм) и дальнюю (λ = 50 - 2000 мкм). Инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом исследования взаимодействия излучения с веществом и идентификации химических соединений. Инфракрасная спектроскопия занимается получением, изучением и применением спектров испускания, поглощения и отражения. Наибольшее распространение получило исследование инфракрасных спектров поглощения, чьими основными характеристиками являются число полос поглощения, их ширина, форма и величина. ИК спектр смеси веществ является суммарным, а интенсивность полос поглощения каждой компоненты пропорциональна еѐ содержанию в смеси. Зависимость интенсивности поглощения от концентрации поглощающего вещества подчиняется закону Бугера-Ламберта- Бера:
Для того, чтобы найти концентрации искомых веществ необходимо
в инфракрасном спектре выделить их характеристические полосы поглощения, при этом они не должны быть искажены
наложением полос поглощения другого вещества
[4].
Инфракрасный (ИК) спектральный анализ горных пород дает возможность количественного определения концентраций слагающих
породы минералов, а также определение характера их насыщения
углеводородами.
Большинство минералов, в частности
основные породообразующие минералы осадочного комплекса, такие как кварц, кальцит,
доломит, гипс, ангидрит, каолинит, монтмориллонит и другие
могут быть надежно идентифицированы по их ИК-спектрам, снятым в области 2800-3100 см-1
и 1700-680 см-1 по форме и положению характеристических полос поглощения [3].
Группа силикатных минералов определяется по интенсивной полосе поглощения в диапазоне
волновых чисел 1050-1200 см-1, что обусловлено присутствием в силикатах валентных колебаний группы Si-O для всех типов строения
кристаллической решетки. Кроме того, многие
типы силикатов имеют характерный дуплет
в диапазоне волновых чисел 770-810 см-1 и
полосу поглощения средней интенсивности с максимумом на волновом числе 697 см-1. Деформационные колебания связи Si-O выражаются в полосе поглощения в диапазоне
волновых чисел 500-400 см-1.
Алюмосиликаты (минералы глин) могут быть определены группой интенсивных полос поглощения в интервале волновых
чисел 890-1180 см-1. Эти полосы поглощения обусловлены связями Si-O-Al, которые имеют свои специфичные формы в зависимости от типа глинистого материала. Спектры
алюмосиликатов также характеризуются некоторыми полосами поглощения средней
интенсивности, которые обусловлены присутствием в минералах глин атомов других элементов.
Для карбонатных минералов
характерна интенсивная полоса
поглощения на волновом числе 1430 см-1, которая обусловлена валентными колебаниями связи C-O. Характерны также полосы
на волновых числах в диапазоне 710-750
см-1, обусловленные деформационными колебаниями этой же группы. Благодаря тому, что деформационные колебания зависят от структуры молекулы карбоната, по положению
этих полос можно определять минерал в группе карбонатов. В частности, для кальцита она находится на волновом числе 715 см-1, для доломита — на 730 см-1, для сидерита на 740 см-1, для магнезита — на 750 см-1. Помимо этого в спектре карбонатов присутствует характеристическая полоса поглощения с максимумом в диапазоне
875-885 см-1.
Группы сульфатов определяются по интенсивной полосе поглощения в интервале волновых чисел 1090- 1180 см-1 и 680-650 см-1. Поглощение обусловлено наличием
колебаний связи S-O. По положению максимума можно надежно
определить минерал в группе
сульфатов. Например, для гипса максимум
характеристической
полосы находится на волновом
числе 660 см-1, для ангидрита — на 672 см-1. Также гипс и
ангидрит различаются по наличию полосы поглощения с максимум
на 1625 см-1, обусловленной присутствием в гипсе определенным количеством связанной
воды, но отсутствующей в ангидрите.
Зная положение характеристических полос поглощения минералов, можно определить минеральный состав горной породы
и, используя закон Бугера-Ламберта-Бера, рассчитать соответствующие концентрации.
В
Табл.1 приведены сведения об ИК спектрах
поглощения осадочных пород в диапазоне 660-1900 см-1 [2].
Таблица 1
Сведения об ИК спектрах поглощения пород осадочного комплекса
Тип осадочной горной породы
|
Основной породо- образующий минерал
|
Характеристика спектров
|
полоса, см-1
|
максимумы, см-1
|
относительная интенсивность
|
Песчаники, алевролиты, песчаные сланцы
|
Кварц
|
1050-1220
|
1175, 1100
|
очень сильная
|
770-810
|
800, 780
|
средняя
|
690-710
|
697
|
средняя
|
Глины, аргиллиты, глинистые сланцы
|
Каолинит*
|
890-1180
|
1118, 1035
1010, 913
|
очень сильная
|
Известняки, мергели
|
Кальцит
|
1300-1600
|
1430
|
очень сильная
|
840-900
|
878
|
средняя
|
705-725
|
715
|
средняя
|
Доломиты
|
Доломит
|
1300-1600
|
1430
|
очень сильная
|
850-900
|
885
|
средняя
|
720-740
|
730
|
средняя
|
Гипс
|
Гипс
|
1050-1220
|
1148, 1095
|
очень сильная
|
1000-1020
|
1008
|
средняя
|
1305-1345
|
1325
|
средняя
|
650-670
|
660
|
средняя
|
1600-1650
|
1625
|
средняя
|
Ангидрит
|
Ангидрит
|
1050-1220
|
1148, 1092
|
очень сильная
|
662-682
|
672
|
средняя
|
Несмотря на то, что в большинстве случаев осадочные
горные породы имеют достаточно сложные минеральный состав, для целей настоящей задачи достаточно определение минералов, чье содержание в горной породе превышает
5%. Обычно это 2-4 минерала.
Выполнение исследования минералов возможно
с помощью лабораторных («традиционных») ИК- анализаторов. Подобные
ИК-анализаторы обладают высокой
чувствительностью, однако они имеют значительные недостатки, которые ограничивают их применение в процессе бурения. К ним относятся как длительное время проведения анализа (30-120 минут на подготовку образца к анализу
и 15-20 минут на проведение самого исследования), так и громоздкость и недостаточная надежность в тяжелых условиях эксплуатации аппаратуры и дополнительных приспособлений.
Специализированные информационно-измерительные системы (ИИС) ИК анализа лишены подобных недостатков и, обладая достаточной для
данной
задачи
чувствительностью, обеспечивают проведение оперативного исследования при минимальных требованиях к пробоподготовке и автоматизации процесса обработки полученной информации.
Пример структурной схемы подобной ИИС приведен на Рисунке
1 [5]. Данная ИИС включает
в себя измерительную и электронную части. В измерительную часть входят
источники излучения, оптический коммутатор,
линзовая система, кювета с образцом и приѐмники излучения.
Электронная часть состоит из усилителя, полосового
фильтра, когерентного амплитудного модулятора, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора.
Таким образом, для
решения
задачи
определения
минерального
состава
шлама
бурящейся скважины целесообразно использовать специализированные ИИС ИК анализа,
которые обеспечивают расчленение литологического разреза скважины
в процессе бурения
с достаточной точностью
и обладают высокой
степенью автоматизации.
Список литературы
1. ГОСТ Р 53375-2009. Геолого-технологические исследования. Общие требования. -Введ.
2010-07-01. -М.: Стандартинформ, 2009. - 20 с. - (Скважины нефтяные и газовые)
2.
Моисеенко А.С., Егорова И.В. Инфракрасные спектральные ИИС исследования горных
пород. М.: ППП «Типография «Наука», 2013. - 194 с.
3.
Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. 175 c.
4. Командровский В.Г., Моисеенко А.С. О методиках определения минерального состава горных пород при инфракрасном анализе в процессе бурения скважины.
// Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2012 № 8 - с. 25 - 28.
5.
Моисеенко А.С., Командровский В.Г., Ступак И.С. Специализированная информационно-измерительная система оперативного инфракрасного анализа
минерального состава шлама бурящейся
скважины. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2014.
№ 2. С. 7-9.