ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ШЛАМА БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

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

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.

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.