СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПЛАСТОВОЙ И ПОРОВОЙ ВОДЫ НИЗКОПРОНИЦАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2023 года по МПК G01N33/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к петрофизическому анализу флюидосодержания низкопроницаемых пород, в том числе сложнопостроенных сланцевых нефтегазоматеринских пород-коллекторов углеводородов, а именно к определению минерализации пластовой и поровой воды пород лабораторными способами модифицированных водных вытяжек (МВВ).

Уровень техники

Для низкопроницаемых пород с изначально низким водосодержанием (менее 5 масс.%) выполнить прямой отбор пробы пластовой воды из скважины для дальнейшего анализа крайне затруднительно. Поэтому достоверность результатов изучения состава поровых растворов будет преимущественно зависеть от правильности выбора лабораторного метода получения и обработки исходных данных. На сегодняшний день минерализацию и химический состав поровых вод низкопроницаемых пород можно определить тремя способами: путем экспериментальных исследований в лаборатории – 1) метод водной экстракции и 2) прямой химический анализ поровой воды, непосредственно выделенной из образца породы, а также 3) путем термодинамических расчетов в системе «вода-порода-ОВ-газ».

В мировой практике определение состава и минерализации поровой воды горных пород стараются выполнять путём прямого анализа непосредственно выделенного порового раствора [Fernández, A. M. [и др.] Applying the squeezing technique to highly consolidated clayrocks for pore water characterisation: Lessons learned from experiments at the Mont Terri Rock Laboratory // Applied Geochemistry. 2014. Т. 49. – С. 2-21], полученного методом отжима из полноразмерного образца керна. Однако при работе с низкопроницаемыми породами с изначально низким водосодержанием (менее 5 масс.%) не всегда есть возможность выделить полноценный полноразмерный образец керна для данных исследований. Кроме того, возникают технологические сложности прямого отжима таких оставшихся поровых растворов для их дальнейшего анализа, так как необходимо создавать достаточно высокие давления в течение продолжительного времени, что в свою очередь приводит к извлечению смеси свободной и физически связанной воды и не всегда позволяет достать представительную для анализа пробу. В результате значения минерализации извлеченной поровой воды получаются заниженными вследствие того, что физически связанная вода обладает низкой соленостью.

Недостатками указанного аналога (методов прямого извлечения порового флюида) являются:

• Технически сложное оборудование.

• Высокая стоимость исследования.

• Длительное время эксперимента (от 1 сут до нескольких месяцев).

• Для определения требуется полноразмерный свежеотобранного керн с максимально сохраненной начальной водонасыщенностью.

• Маленькое количество извлекаемой пробы поровой воды, часто не достаточное для анализа ее состава.

• Потеря водорастворенных газов.

Учитывая, что при использовании метода прямого извлечения поровых вод нет уверенности, что можно получить желаемый результат, поэтому в зарубежных петрофизических лабораториях прибегают к более простому альтернативному косвенному методу водной экстракции [ Recommended Practices for Core Analysis. Recommended Practice 40 [Текст]. – Dallas, TX : American Petroleum Institute (API), 1998. – 220 с.].

Метод заключается в том, что к навеске измельченной породы прибавляется дистиллированная вода, после определенного времени взаимодействия раствор фильтруется и анализируется его состав. Из концентрации компонентов в водном экстракте вычисляютcя их концентрация в поровом растворе и минерализация с учетом коэффициента разбавления порового раствора объемом раствора добавляемой дистиллированной воды.

Ряд исследователей отмечает, что для горных пород различного состава и степени литификации наблюдается принципиальное отличие химического состава реального порового раствора и условного, полученного по данным водных экстрактов. Это связано с тем, что приготовление водных экстрактов вызывает не только разбавление порового раствора, которое легко можно было бы учесть, а ряд сложных изменений состояния равновесия системы «вода-порода»: дополнительное растворение солей, сдвиг равновесий гидролиза, изменение условий адсорбционных равновесий между поглощающим комплексом и раствором, особенно сильно проявляющихся для глинистых минералов. В результате возможности достоверной оценки состава порового раствора с помощью косвенного метода водных экстрактов сокращаются до определения только ряда компонентов.

Недостатками указанного аналога (метода водной экстракции) являются:

• Разработан для почв, а не для горных пород.

• Не дает представление о реальном макро- и микрокомпонентом составе поровых вод.

• Невозможно количественно измерить pH и Eh порового раствора.

• Протекание процессов растворения и окисления минералов в ходе проведения водной экстракции.

• Дает условное представление о минерализации порового раствора, в составе которого не доминируют хлор и натрий.

• Невозможно получить раздельно состав свободной и связанной воды.

• Невозможно получить изотопный состав порового раствора.

В настоящее время как в мире, так и в РФ не существует однозначной регламентированной методики по проведению водной экстракции (вытяжки) из горных пород, в том числе и слабопроницаемых сланцевых, для оценки минерализации и состава порового раствора.

Сущность изобретения

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание способа, позволяющего быстро, надёжно и точно определить минерализацию поровой воды образцов сланцевых нефтематеринских пород, в том числе и с изначально низким общим водосодержанием (менее 1÷5 масс.%).

Техническим результатом раскрываемого изобретения является повышение скорости, надёжности и точности определения минерализации поровой воды образцов сланцевых нефтематеринских пород, в том числе и с изначально низким общим водосодержанием.

Техническая задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что способ лабораторного определения минерализации пластовой и поровой воды низкопроницаемых горных пород включает этапы:

- отбор образца породы;

- измерение содержания свободной воды в образце породы;

- измерение изотопного состава свободной воды;

- истирание образца породы;

- отбор навески необходимой массы и ее перенос в мерную пробирку;

- добавление в мерную пробирку с навеской жидкости-растворителя;

- перемешивание суспензии из навески и жидкости-растворителя, отстаивание и пропускание через фильтр;

- определение содержания водорастворимых солей и оценка минерализации поровой воды с учетом содержания свободной воды в навеске.

Кроме того, измерение содержания свободной воды в образце породы проводят методом испарения, методом Закса (Дина-Старка), методом реторты или косвенным методом.

Кроме того, образец породы истирают в порошок с размером частиц не более 2 мм.

Кроме того, мерная пробирка выполнена из инертного материала.

Кроме того, в качестве жидкости-растворителя используют спирт или дистиллированную воду, не содержащую углекислый газ.

Кроме того, перемешивание навески с жидкостью-растворителем осуществляют не более 60 минут.

Кроме того, фильтрацию суспензии осуществляют через беззольный или мембранный фильтр.

Кроме того, используют массовое соотношение растворяющей жидкости и навески не меньше, чем 2:1.

Кроме того, температура растворяющей жидкости не превышает 24 °С.

Кроме того, после перемешивания суспензии из навески и жидкости-растворителя между отстаиванием и пропусканием через фильтр дополнительно осуществляют центрифугирование суспензии.

Кроме того, определение содержания водорастворимых солей в суспензии из навески и жидкости-растворителя осуществляют методами титриметрии и/или жидкостной ионной хроматографии и/или капиллярного электрофореза и/или инверсионной вольтамперометрии и/или атомно-абсорбционной спектроскопии и/или атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

Кроме того, при определении изотопного состава выделенной свободной воды определяют генезис воды и при необходимости вносят поправки в величину определяемой минерализации поровой воды.

Краткое описание чертежей

Фиг.1: Содержание иона хлора в растворах водных вытяжек, приготовленных в колбе и центрифужной пробирке при разном соотношении порода:вода и времени их взаимодействия: а) нормированное на массу породы в мг-экв/100 г; б) в мг/л;

Фиг.2: Сопоставление результатов измерения содержания Cl-иона в растворах водных вытяжек из неэкстрагированных пород (в мг/л), полученных методом жидкостной хроматографии и объемным методом;

Фиг.3: Диаграмма Пайпера, отражающая состав растворов водных вытяжек (%-экв/100 г) из неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов пород баженовской свиты;

Фиг.4: Корреляционные соотношения между минерализацией растворов водных вытяжек из неэкстрагированных образцов БС и содержанием катиона натрия и сульфат-иона;

Фиг.5: Корреляционные соотношения между минерализацией растворов водных вытяжек из экстрагированных ДС образцов БС и содержанием катиона натрия и сульфат-иона;

Фиг.6: Корреляционные соотношения между минерализацией растворов водных вытяжек из прогретых ИМ@250 образцов БС и содержанием катиона натрия и сульфат-иона;

Фиг.7: Сопоставление содержания Na⁺, Ca²⁺, SO₄^2- (а) и Cl^- (б) в растворах водных вытяжек из образцов пород неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250;

Фиг.8: Зависимости содержания компонентов в растворах водных вытяжек (в мг/л) из неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов пород БС: а) сульфат-иона от пирита; б) катиона натрия от плагиоклаза; в) суммы кальция и магния от содержания карбонатных минералов;

Фиг.9: Содержание хлора в поровых водах (а) и минерализация поровой воды как NaCl (б), полученные по данным водных вытяжек из неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов пород БС;

Фиг.10: Сопоставление состава подземных вод (в %-экв), полученных в ходе прямого анализа пробы воды и по данным водных вытяжек из экстрагированных ДС и неэкстрагированных образцов пород Южного месторождения. Для ачимовской свиты использована 1 проба из 1 скважины, для георгиевской свиты взято среднее по 14 пробам из 10 скважин;

Фиг. 11: Изотопный состав выделенных поровых вод ачимовской толщи. Ореол 1 — пластовые воды преимущественно морского происхождения в закрытых бассейнах.

Осуществление изобретения

Заявленный способ лабораторного определения минерализации пластовой и поровой воды низкопроницаемых горных пород включает этапы:

- отбор образца породы;

- измерение содержания свободной воды в образце породы;

- измерение изотопного состава свободной воды (содержание δ¹⁸О и δ²Н);

- истирание образца породы;

- отбор навески необходимой массы и ее перенос в мерную пробирку;

- добавление в мерную пробирку с навеской жидкости-растворителя;

- перемешивание суспензии из навески и жидкости-растворителя, отстаивание и пропускание через фильтр;

- определение содержания водорастворимых солей и оценка минерализации поровой воды с учетом содержания свободной воды в навеске.

Перед началом определения минерализации поровой воды в лабораторных (контролируемых) условиях могут выполнять подготовку образцов породы, а именно удаление при наличии защитно-герметичной оболочки с фрагмента керна и очищение щеткой от остатков бурового раствора.

Далее из центральной части фрагмента керна или другой части отбирают образец породы, для исключения влияния бурового раствора и прочих технологических жидкостей на результаты последующих измерений минерализации.

Измерение содержания свободной воды проводят, например, методом испарения на установке, содержащей по меньшей мере одну кювету с крышкой, помещаемую в нагревательную камеру с образцом породы, устройство продувки, соединённое с по меньшей мере одной кюветой по меньшей мере одной трубкой продувки, по меньшей мере одну измерительную ячейку, соединённую с по меньшей мере одной кюветой по меньшей мере одной отводящей трубкой, а на по меньшей мере одной отводящей трубке, между по меньшей мере одной кюветой и по меньшей мере одной измерительной ячейкой, содержащей охлаждающее устройство.

При этом может быть использован как свежеотобранный керн естественной влажности, так и керн после определения водосодержания методом испарения, методом Закса (Дина-Старка), методом реторты и пр., а также старый сухой керн, не подвергающийся ранее воздействию каких-либо растворяющих соли жидкостей. В случае использования сухого керна содержание воды может определяться любым подходящим косвенным методом, например методом изотермы адсорбции паров воды.

После измерения содержания свободной воды осуществляют истирание/измельчение образца породы в порошок с размером не более 2 мм, что дополнительно позволяет быстро перевести в раствор легкорастворимые соли. Затем отбирают навеску и переносят в мерную пробирку из инертного материала (пластика или стекла).

Необходимый размер фрагментов породы может достигаться любым известным способом дробления или измельчения твёрдых материалов, включая горные породы.

К отобранной навеске добавляется жидкость-растворитель (например, спирт различной концентрации, дистиллированная вода, не содержащая углекислого газа, так как в его присутствии растворяются карбонаты кальция и магния в ходе образования растворимых бикарбонатов согласно реакции: CaCO3+2H2CO3=Ca(HCO3)2+H2O+CO2. Бикарбонаты увеличивают минерализацию и общую щелочность водной вытяжки и соответственно искажают результаты определения).

Навеску с жидкостью-растворителем интенсивно перемешивают в течение не более 60 минут, что достаточно для растворения легкорастворимых простых солей, затем отстаивают и фильтруют для разделения суспензии, например, через беззольный или мембранный фильтр, например, синяя лента в закрытой от поступления кислорода системе.

По экспериментальным данным при любом времени из диапазона (10 мин, 30 мин, 60 мин) достигается одинаковый положительный эффект. Если перемешивание будет осуществляться более 60 минут, то положительный эффект пропадает за счет растворения измельченной породы и как следствие роста минерализации водной вытяжки.

Массовое соотношение растворяющей жидкости и навески может быть не меньше, чем 2:1. При меньшем соотношении не достигается положительный эффект за счет низкого содержания растворителя, то есть не все имеющиеся легкорастворимые соли в породе будут растворены. Кроме того, температура растворяющей жидкости может не превышать 24 °С. При более высокой температуре пропадает положительный эффект за счет более быстрого растворения измельченной породы и как следствие роста минерализации водной вытяжки.

После перемешивания суспензии из навески и жидкости-растворителя, между отстаиванием и пропусканием через фильтр, дополнительно могут выполнять центрифугирование суспензии. Центрифугирование позволяет еще более быстрее разделить воду и навеску породы, тем самым не допустить превышение времени их взаимодействия.

Определение содержания водорастворимых солей в суспензии из навески и жидкости-растворителя могут осуществлять методами титриметрии и/или жидкостной ионной хроматографии и/или капиллярного электрофореза и/или инверсионной вольтамперометри и/или атомно-абсорбционной спектроскопии и/или атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

Кроме того, при определении изотопного состава свободной воды (содержание δ¹⁸О и δ²Н) устанавливают генезис вод (техногенная, пластовая или смесь) и при необходимости верифицируют результаты исследования. Определение изотопного состава воды (содержание δ¹⁸О и δ²Н) выполняется стандартным методом на соответствующем масс-спектрометре. Близость изотопного состава исследуемой воды к линии метеорных вод рассматриваемого региона будет указывать на ее техногенный генезис, что может говорить о проникновении бурового раствора на основе поверхностной воды или другой технической воды в керн. В данном случае полученное значение минерализации воды будет отражать минерализацию техногенной жидкости, заместившей пластовую природную воду.

Минерализацию поровой воды могут определять, например, по содержанию хлора и эквивалентного ему содержанию натрия с учетом коэффициента разбавления поровой воды в ходе смешения с растворяющей жидкостью.

Концентрация компонента в поровом растворе (C_PW, мг/л) вычисляется, зная его содержание в растворе водной вытяжки (C_WE, мг/л) по следующей формуле:

, (1)

где – объем дистиллированной воды при приготовлении водной вытяжки, мл;

- количество поровых вод, мл.

Корректная интерпретация данных, полученных способом водных вытяжек, требует знания минерального состава образца, включая массовые содержания простых солей. По степени растворимости в воде простые соли разделяются на легкорастворимые (например, Na₂CO₃, NaHCO₃, NaCl, Na₂SO₄, MgCl₂, CaCl₂, MgSO₄ и др.), среднерастворимые (например, CаSO₄·2H₂O, и др.), и малорастворимые (например, MgCO₃, CaCO₃, фосфаты кальция, железа и алюминия и др.). Легкорастворимые соли разделяются на три группы — хлористые, сульфатные и углекислые (содовые). Основанием данного требования является тот факт, что легкорастворимые соли и, в большинстве случаев при низком содержании, среднерастворимые соли, при измельчении даже при небольшом количестве воды, могут быть полностью растворены в ней. Соответственно, при анализе результатов водной вытяжки может потребоваться внесение поправок в получаемый результат.

Примеры реализации предложенного способа

Выбор оптимального соотношения растворяющая жидкость – порода и времени взаимодействия

Выбор оптимального соотношения объема растворяющего раствора к навеске породы, способа (в колбе как для почв или в центрифужной пробирке) и времени их взаимодействия, метода разделения суспензии (самотечная фильтрация или центрифугирование).

Для выбора оптимального подхода были реализованы следующие схемы:

• в колбе с разделением суспензии самотечной фильтрацией через фильтр «синяя лента» (масса навески ≈ 50 г; соотношение вода:порода - 2:1, время взаимодействия 10 мин);

• в центрифужной пробирке – с разделением суспензии центрифугированием (масса навески ≈10 г; соотношение вода:порода – 1:1, 2:1, 3:1; время взаимодействия – 10, 60 и 2880 мин).

Исследования проводились на 2-х образцах баженовской свиты, отобранных с месторождения Нижневартовского свода Западной Сибири.

В результате реализации первой серии постановочных экспериментов установлено (Фиг.1), что для образца 2 не имеет значение время взаимодействия воды и навески породы и их соотношение – для всех случаев получено, что содержание Cl^- в пересчете на вес породы (мг-экв/100 г) совпадает в пределах ошибки (Фиг.1а). Для образца 1 такое совпадение наблюдается при соотношении порода:вода - 1:2, для других вариантов результаты сильно разняться. Поэтому для дальнейшего проведения водных вытяжек на оставшихся образцах БС будет использоваться схема с соотношением порода:вода – 1:2 и время взаимодействия – не более 60 мин. При этом для всех образцов результат не зависит от способа взаимодействия (колба или центрифужная пробирка) и метода разделения суспензии (Фиг.1), поэтому в дальнейшем можно использовать как фильтрацию через «синюю ленту», так и центрифугирование.

Для хлора были обнаружены линейные изменения содержания в зависимости от соотношения вода:порода (Фиг.1б).

Оценка извлечения хлор иона

Во второй серии экспериментов к оставшейся после отделения раствора навеске породы снова прибавлялась дистиллированная вода и проводились повторные водные вытяжки по вышеописанной принципиальной схеме с целью определения степени извлечения хлор-иона.

Установлено, что содержание хлора в повторных вытяжках из образцов пород было крайне низким – на уровне ошибки определения. Все это подтверждает, что времени взаимодействия достаточно для полного извлечения хлор иона, а его источником в растворе водной вытяжки из пород БС являются только соли порового раствора.

Выбор оптимального метода анализа содержания хлор-иона

Определению хлора объемным методом в растворах водных вытяжек из низкопроницаемых пород углеводородов могут мешать растворенные органические соединения, бромиды, йодиды, железо и др. Однако, объемный метод определения хлор-ионов титрованием азотнокислым серебром в присутствии хромовокислого калия наиболее доступен в большинстве отечественных петрофизических лабораторий. Поэтому для верификации результатов объемного метода содержание хлора в растворах водных вытяжек было также измерено методом жидкостной хроматографии и другими методами. Обнаруженная сходимость содержания Cl^- в пределах ошибки определения (Фиг.2) позволяет рекомендовать оба метода для измерения его концентраций в растворах водных вытяжек из пород БС.

Принятая схема проведения водной вытяжки

По результатам постановочных экспериментов была принята следующая схема проведения водных вытяжек для оценки минерализации и состава порового раствора целевой коллекции образцов баженовской свиты. В центрифужной пробирке объёмом 50 мл к навеске (≈10 г) измельчённой породы БС (0,5-2,0 мм) добавляется 20 мл безуглекислой дистиллированной воды (соотношение вода порода 2:1). Пробирка встряхивается в течение 3÷5 мин на шейкере и отстаивается 5 мин. Разделение суспензии выполняется путём центрифугирования (10-60 мин, 2000-4000 об/мин), его очистка от оставшихся механических примесей производится путём фильтрации через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм. Анализ содержания хлор-иона в растворах водных вытяжек выполняется с помощью метода титриметрии и/или жидкостной ионной хроматографии и/или капиллярного электрофореза и/или инверсионной вольтамперометри и/или атомно-абсорбционной спектроскопии и/или атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС).

Минерализация и состав порового раствора пород БС по данным метода водной вытяжки

Исследовалась целевая коллекция образцов пород БС из 45 образцов пород с максимально сохранённой флюидонасыщенностью, отобранных из 5 скважин 5 различных месторождений Западной Сибири. Образцы породы БС для проведения водной вытяжки отбирались из центральной части полноразмерного керна сразу после вскрытия парафиновой оболочки. Для определений использовались как образцы, высушенные на открытом воздухе в лаборатории при температуре 20-25 °С (далее неэкстрагированные образцы БС); так и образцы после определения остаточного водосодержания методом ДС (далее экстрагированные ДС образцы) и методом испарения при 250 °С на соответствующей установке (далее прогретые ИМ@250 образцы).

Каждый отобранный и подготовленный образец БС истирался в порошок. Водная вытяжка проводилась при соотношении дистиллированная вода:порода как 2:1 (времени взаимодействия не более 60 минут).

В полученных растворах водной вытяжки определение содержания хлор-иона и гидрокарбонат-иона выполнено объёмными методами на комплекте для автоматического потенциометрического титрования. Содержание макрокомпонентов – методом ионной хроматографии, содержание микрокомпонентов – методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MC) на спектрометре.

Результаты анализа макрокомпонентного состава исследуемых растворов водных вытяжек для каждого образца представлены на тройной диаграмме Пайпера (Фиг.3). Установлено, что минерализация растворов водных вытяжек из неэкстрагированных образцов пород изменяется от 0,15 до 3,78 г/л (в среднем 0,73 г/л), из образцов после экстракции – от 0,88 до 4,29 г/л (в среднем 0,76 г/л) и образцов после прогрева ИM@250 – от 0,15 до 2,91 г/л (в среднем 0,77 г/л). Полученные значения минерализации определяются преимущественно содержанием сульфат-иона и в меньшей степени катиона-натрия для всех исследованных образцов (Фиг.4).

рН растворов водных вытяжек из неэкстрагированных образцов изменяется от 6,1 до 10,02 (в среднем 8,4). Характерно снижение значений рН в растворах водных вытяжек из экстрагированных ДС (в среднем 7,63) и прогретых ИМ@250 (в среднем 6,92) образцов БС. Определить точные значения рН поровых вод пород БС на основе данных рН водных вытяжек нельзя, но, скорее всего, они попадут в слабокислую область шкалы рН вследствие высокого содержания CO₂ на рассматриваемых глубинах.

Полученные результаты показывают, что количественно состав водных вытяжек из пород до и после экстракции и после прогрева отличается, при этом какой-либо однозначной закономерности не прослеживается (Фиг.3,7). Соотношение катионов и анионов практически не изменяется. Для большинства проб наблюдается увеличение минерализации водных вытяжек из образцов после экстракции и прогрева, в основном, за счет увеличения содержания сульфат-иона, кальция и натрия (Фиг.7а). В некоторых исследованных образцах возрастает содержание магния, калия, железа, кальция, сульфат- и гидрокарбонат-ионов, в то время как в остальных пробах концентрация этих компонентов уменьшается или не изменяется. Такое поведение концентраций компонентов указывает на то, что их источником в растворах водных вытяжек являются преимущество минералы, входящие в состав образцов БС, а не соли порового раствора. Подтверждением этому также служат обнаруженные корреляционные зависимости содержания сульфат-иона от пирита (Фиг.8а), натрия – от плагиоклаза (Фиг.8б), кальция и магния – от суммарного содержания карбонатных минералов (Фиг.8в). Калий, видимо, поступает в растворы водных вытяжек либо в результате обменных процессов в глинистых минералах, либо при растворении К-содержащих плагиоклазов.

В отличие от других компонентов концентрация хлор-иона в растворах водных вытяжек остается сопоставимой в пределах ошибки определения как для неэкстрагированных, так и для экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов БС (Фиг.7б). Данное поведение подтверждает, что источником хлора в растворах водных вытяжек из образцов БС являются преимущественно водорастворимые хлорсодержащие соли порового раствора и позволяет использовать его содержания для расчета минерализации поровой воды пород БС.

В ходе анализа результатов состава водных вытяжек из неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов пород БС установлено, что содержание в их составе катионов кальция, магния, калия, железа, сульфат-иона, гидрокарбонат-иона, в меньшей степени катиона натрия связано с поступлением из пород в ходе возникающих различных физико-химических процессов в системе «дистиллированная вода–навеска породы» и не могут дать представление о их количественном содержании в поровой воде. Концентрации хлора, йода и брома по водным вытяжках с учетом коэффициента разбавления порового раствора (формула 1) будут соответствовать их содержанию в реальных поровых растворах. Соответственно, точность определения концентраций Cl^- в растворах водной вытяжки напрямую определяет его значение в поровом растворе.

Выявленное содержание Cl^- в поровых растворах для неэкстрагированных пород скв. 1 составляет 3,91–13,71 г/л, скв. 2 – 1,66–7,31 г/л, скв. 3 – 1,41–7,14 г/л, скв. 4 – 0,47–18,32 г/л и скв. 5 – 3,03–12,24 г/л. Содержание хлора в поровых водах, полученное по данным водных вытяжек из неэкстрагированных, экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов пород БС соотносятся между собой для подавляющего большинства проб в пределах ошибки определения (Фиг.9а).

В составе подземных вод георгиевской и ачимовской свит нижневартовского свода, подстилающих и перекрывающих отложения БС, преобладают ионы хлора и натрия при минерализации 33,83-49,56 и 17,4-18 г/л (Фиг.10). Воды неокомского и верхнеюрского водоносных комплексов центральных районов Западно-Сибирского мегабассейна (Салымского, Сургутского, Нижневартовского и Александровского) преимущественно хлоридного натриевого состава с минерализацией 10,84–26,63 г/л и 2,6–49 г/л. Поэтому вероятно, что поровые воды БС также будут иметь преимущественно хлоридный натриевый состав.

Зная содержание хлор-иона в поровом растворе можно найти эквивалентное ему содержание катиона Na⁺ и оценить условную минерализацию поровой воды БС как NaCl. Полученные значения минерализации как NaCl соотносятся в пределах ошибки определения для подавляющего большинства как неэкстрагированных, так экстрагированных ДС и прогретых ИМ@250 образцов БС (Фиг.9б). Получается, что для определения минерализации поровой воды БС в дальнейшем можно использовать как неэкстрагированную породу, так и породу после определении водосодержания методом испарения на соответствующей установке или методом Дина-Старка. Полученные результаты показывают, что метод водных вытяжек может быть применим и для сухого керна. Полученные величины минерализации (в среднем 12 г/л) задают нижнюю границу для поровых вод исследованных образцов пород БС.

Изотопный состав поровых вод

Для 9 проб поровых вод, выделенных из образцов керна, на соответствующем масс-спектрометре был определен изотопный состав (содержание δ¹⁸О и δ²Н) для установления генезиса вод. В результате изотопный состав 4 проб поровых вод близок к изотопному составу метеорных вод (находится рядом с линией метеорных вод рассматриваемого региона) (Фиг. 11). Это указывает на техногенный генезис исследуемых проб воды, возникший, например, в результате проникновения бурового раствора, приготовленного на основе поверхностной воды, или другой технической воды в керн. В данном случае полученное значение минерализации воды будет отражать минерализацию техногенной жидкости, заместившей пластовую природную воду. Данные пробы были признаны некондиционными и не использовались для оценки минерализации пластовых вод предлагаемым способом.

Оставшиеся 5 проб обладают более тяжелым изотопным составом (Фиг. 11) и попадают в область значений, характерных для вод преимущественно морского происхождения в закрытых бассейнах и могут быть признаны кондиционными для определения минерализации предлагаемым способом.

Преимущества предложенного лабораторного метода определения минерализации пластовой и поровой воды

Предложенный способ определения минерализации пластовой и поровой воды позволяет быстро, надёжно, точно и эффективно определить диапазон минерализации и состав пластовых/поровых вод слабопроницаемых горных пород при начальном водосодержании менее 1÷5 масс.%. В целом определение может выполняться для образца породы массой, например, 20÷70 г, в течение, например, 1÷3 ч. Предложенный способ может быть реализован как на образцах свежеотобранного керна, так и на образцах сухого керна, хранившегося в кернохранилище при условии отсутствия воздействия на него растворяющих жидкостей во время хранения.

Способ водных вытяжек охарактеризован в терминах рабочего диапазона относительной погрешности определения для вод преимущественно хлоридно-натриевого состава (5÷10 отн.%) и другого состава (до 30 отн.%) применительно к образцам реальных горных пород.

Способ водных вытяжек позволяет определить генезис воды и тем самым верифицировать полученный диапазон минерализации в диапазоне пластовая вода, техногенная жидкость или смесь пластовой воды и техногенной жидкости.

Способ определения минерализации пластовой и поровой воды был практически внедрён и испытан на представительной коллекции образцов слабопроницаемых пород Западной Сибири (аргиллиты, песчаники, сланцевые породы).

Заявленное изобретение представляет собой инструмент для качественно нового уровня изучения состава и минерализации пластовой воды в сланцевых нефтематеринских породах, которые на современном этапе развития рассматриваются в качестве вероятного объекта для восполнения ресурсной базы России.

Изобретение относится к петрофизическому анализу флюидосодержания низкопроницаемых пород, в том числе сложнопостроенных сланцевых нефтегазоматеринских пород-коллекторов углеводородов. Способ лабораторного определения минерализации пластовой и поровой воды низкопроницаемых горных пород характеризуется тем, что включает этапы: отбор образца породы; измерение содержания свободной воды в образце породы; измерение изотопного состава свободной воды; истирание образца породы; отбор навески необходимой массы и ее перенос в мерную пробирку; добавление в мерную пробирку с навеской жидкости-растворителя; перемешивание суспензии из навески и жидкости-растворителя, отстаивание и пропускание через фильтр; определение содержания водорастворимых солей и оценка минерализации поровой воды с учетом содержания свободной воды в навеске. Техническим результатом является повышение скорости, надёжности и точности определения минерализации поровой воды образцов сланцевых нефтематеринских пород, в том числе и с изначально низким общим водосодержанием. 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ лабораторного определения минерализации пластовой и поровой воды низкопроницаемых горных пород, характеризующийся тем, что включает этапы:

отбор образца породы;

измерение содержания свободной воды в образце породы;

измерение изотопного состава свободной воды;

истирание образца породы;

отбор навески необходимой массы и ее перенос в мерную пробирку;

добавление в мерную пробирку с навеской жидкости-растворителя;

перемешивание суспензии из навески и жидкости-растворителя, отстаивание и пропускание через фильтр;

определение содержания водорастворимых солей и оценка минерализации поровой воды с учетом содержания свободной воды в навеске.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что измерение содержания свободной воды в образце породы проводят методом испарения или косвенным методом изотермы адсорбции паров воды.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что образец породы истирают в порошок с размером частиц не более 2 мм.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что мерная пробирка выполнена из инертного материала.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве жидкости-растворителя используют спирт или дистиллированную воду, не содержащую углекислый газ.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что перемешивание навески с жидкостью-растворителем осуществляют не более 60 минут,

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что фильтрацию суспензии осуществляют через беззольный или мембранный фильтр.

8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что используют массовое соотношение растворяющей жидкости и навески не меньше, чем 2:1.

9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что температура растворяющей жидкости не превышает 24 °С.

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что после перемешивания суспензии из навески и жидкости-растворителя между отстаиванием и пропусканием через фильтр дополнительно осуществляют центрифугирование суспензии.

11. Способ по п.1, характеризующийся тем, что определение содержания водорастворимых солей в суспензии из навески и жидкости-растворителя осуществляют методами титриметрии и/или жидкостной ионной хроматографии, и/или капиллярного электрофореза, и/или инверсионной вольтамперометри, и/или атомно-абсорбционной спектроскопии и/или атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.

12. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при определении изотопного состава свободной воды устанавливают генезис воды в образце и при необходимости верифицируют величину определяемой минерализации поровой воды.