Библиотека Дамирджана - Геология нефти и газа №4

УДК 543.422.4

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ГОРНЫХ ПОРОД

М.Л.Микин, Р.И.Назаров (ГП “Центргазгеофизика”)

Среди разнообразных методов изучения строения органических и неорганических соединений важное место занимает метод инфракрасной спектрометрии (ИКС). Он основан на поглощении, отражении и рассеивании энергии инфракрасного излучения при прохождении через вещество. Каждый исследуемый материал дает свой, характерный только для него спектр поглощения или отражения. Характер спектра определяется химизмом минерального состава и структурой вещества. Максимум поглощения совпадает с собственными частотами колебаний молекул, сложных и комплексных ионов исследуемого вещества. Зависимость интенсивности поглощения инфракрасного излучения от состава и структуры вещества позволяет проводить количественный и качественный анализы, в основе которых лежит закон Бугера—Ламберта—Бера.

В качестве исследуемого материала были использованы образцы керна и шлама, отобранные на территории Беларуси, Ставропольского края и Оренбургской области.

Анализ проб проводился на аппаратуре с узкополосными фильтрами двух модификаций:

1) анализатор ИКА-1, разработанный ВНИИЯГГом;

2) анализатор ИКАР-9, разработанный Тверской государственной медицинской академией.

По сравнению с ИКА-1 показания ИКАР-9 отличаются большей стабильностью измерений во времени. Эта особенность ИКАР-9 обеспечивается применением глобара и высокоэффективного детектора. Кроме того, в приборе предусмотрены схемы, позволяющие усилить основной сигнал и подавить помехи, что значительно увеличивает его чувствительность.

В связи с тем, что модулятор анализатора ИКАР-9 вращается электродвигателем, а сам прибор сопряжен с ПЭВМ, цикл одного измерения составляет 12 с, в то время как у ИКА-1 - 30-60 с.

Сравнение работы фильтров на ИКА-1 и ИКАР-9 показывает, что они работают по компонентам в интервале одних и тех же частот.

На ИКА-1 установлено 12 фильтров, на ИКАР-9 - 9. Диапазон полос пропускания фильтров инфракрасного излучения составляет 2958,6-440,0 см^-1. С помощью этих светофильтров можно определять содержание связанной воды, карбонатов, сульфатов, кварцевых и глинистых минералов. ИКС обеспечивает оперативность и повышенную производительность по сравнению с некоторыми традиционными методами анализа.

Разработка конструкторской документации и изготовление этих анализаторов осуществлялись СКТБ ГП "Центргазгеофизика".

Перед анализом проб проводилось снятие значений поглощения и отражения инфракрасных излучений с "чистых" минералов и эталонных смесей многокомпонентных систем. Последние использовались для определения поправочных коэффициентов при переводе измеренного значения инфракрасного излучения в массовое содержание карбонатов, сульфатов, кварца, глин и других минеральных групп.

Поправочные коэффициенты оказались следующими: 1) карбонаты — 0,7; 2) сульфаты — 0,21; 3) кварц - 0,41; 4) глины — 0,20.

При интерпретации полученных данных использовалась методика многомерной корреляции с построением круговых диаграмм. На осях, идущих от центра диаграммы, в масштабе откладывались пересчитанные проанализированные количественные значения соответствующего породообразующего минерала в образце.

На территории Беларуси образцы керна отбирались из Василевической структуры, на которой проводились разведочные работы для подготовки ее под подземное хранение газа. Здесь пробурены четыре разведочные скважины, из которых в интервале глубин 350-511 м отобран керн. Разрез, судя по первичному описанию керна, представлен алевролитами и песчаниками. Результаты анализа образцов методом ИКС показывают, что породы по своему составу в основном кварцевые. Содержание кварца варьирует в пределах 60-70 %. Второй основной компонент-глинистые минералы. Их концентрация изменяется от 12 до 40 %. Судя по измерениям на светофильтре 9, который дает максимум поглощения по каолиниту, основной компонент глин — каолинит и лишь небольшой процент приходится на долю продуктов разложения слюд и других минералов. Так, для образца 5 скв. 1 при общем содержании глин 21,6 % содержание каолинита составляет 20,9 %, или 93,5 % от общего объема глин. Такое соотношение глинистых минералов и каолинита характерно в целом для основной части разреза, сложенного кварцевыми алевролитами. В песчаниках содержание каолинита снижается до 65-70 % от общего объема глин. В случае тонкого переслаивания песчаников и алевролитов разница между суммой глинистых минералов и каолинита несколько увеличивается по сравнению с таковой алевролитов. Если по образцу 15-а скв. 1 (алевролит) она составляет 1,4 %, то по образцу 49-а (тонкое переслаивание песчаников и алевролитов) достигает 3,4 %.

Следующим компонентом пород, слагающих изученный интервал разреза Василевической структуры, являются сульфаты (гипс и его модификации). Они при сутствуют во всех образцах, подвергавшихся исследованиям. Содержание сульфатов варьирует в пределах 5-23 %. В алевролитах их содержание остается на относительно постоянном уровне и составляет в среднем 20 %, в песчаниках падает до 9,5—7,5 %.

Как показали измерения, практически все породы являются бескарбонатными, за исключением верхнего горизонта, вскрытого скв. 3 в интервале глубин 305-319 м. Здесь содержание карбонатов достигает 50 %, порода бурно реагирует с соляной кислотой. Содержание сульфатов при наличии карбонатов снижается по сравнению с содержанием в алевролитах кварцевых разностей и изменяется от 3,6 до 11,0 %.

На основании изложенного общая структура разреза по Василевической площади представляется следующей (рис. 1). Верхний горизонт сложен алевролитами, в значительной степени карбонатными, содержание, %: кварца — 25, карбонатов — 50, сульфатов — 3,6-10,0, глин - 8,6-9,5. Геометрическая фигура, построенная по этим значениям, характерна только для данного типа пород. Она представляет собой многогранник с резко вытянутой горизонтальной левой осью карбонатов, укороченной осью сульфатов, несколько удлиненной осью кварца и осью глинистых минералов на уровне оси сульфатов.

Алевролиты, залегающие ниже пласта карбонатных алевролитов, уже не содержат карбонатов, зато резко повышается концентрация кварца, а геометрическая фигура приобретает вид почти правильного ромба.

Песчаники также имеют геометрическую фигуру, близкую к ромбу, но за счет резкого снижения сульфатов эта фигура уже не имеет формы правильного ромба.

С целью выхода на такие параметры, как коэффициент пористости Кп и коэффициент остаточной водонасыщенности Кп, проведен корреляционный анализ между значениями Кп и Kов, определенными традиционными методами, и нормированными значениями поглощения (отражения), полученными методами ИКС по сумме светофильтров 3+12. В результате корреляционного анализа установлено следующее.

Между нормированными значениями поглощения (отражения) по сумме светофильтров 8+9 (глинистые минералы + каолинит) и значениями Кп устанавливается уверенная корреляционная связь, которая характеризуется уравнением регрессии, имеющим вид

где Ипр, Иmax ^— соответственно измеренные и максимальные значения интенсивности пропускания инфракрасного излучения при коэффициенте корреляции R= 0,88 (рис. 2).

Уверенная корреляционная связь устанавливается между значениями Kов, нормированными значениями поглощения (отражения) по светофильтру 4 (связанная вода). При коэффициенте корреляции R = -0,85 уравнение регрессии имеет вид (рис. 3)

Для исследований были также использованы образцы по структурам Ставропольского края (Ново-Романовская площадь). Это известняки с малым количеством сульфатов, кварца и глин, а также песчаники.

Форма круговых диаграмм известняков аналогична таковой карбонатных алевролитов Василевической структуры, а именно с сильно вытянутой осью карбонатов и сплющенной по вертикали. Меняются только содержания сульфатов, кварца, глин и других минералов.

По Оренбургской области (Зайкинская площадь) исследованиям подвергались обломки шлама, представленные известняками, которые при воздействии на них соляной кислотой выделяли сероводород. По результатам ИКС порода состоит на 90 % из карбонатов, на 10 % — из сульфатов типа ангидрита. Содержание сульфатов может увеличиваться до 19 %, гли нистых минералов до 5 %. При росте содержания сульфатов значения K_п повышаются.

Таким образом, исследования образцов керна и шлама, проведенные по объектам Беларуси, Ставропольского края и Оренбургской области, позволяют с достаточной степенью уверенности говорить о том, что применение ИКС дает возможность проводить предварительные литологические определения пород, изучение их минерального состава, устанавливать связи минерального состава с такими фильтрационно-емкостными свойствами пород, как пористость и остаточная водонасыщенность, а в отдельных случаях осуществлять стратификацию разреза.

Выводы

1. Приведенные результаты анализа горных пород показывают, что метод ИКС весьма эффективен для оперативного определения содержания в породе основных породообразующих минералов.

2. Помимо непосредственного определения содержания минералов с помощью статистического анализа, можно оценивать пористость, водонасыщенность и другие параметры, необходимые для экспресс-анализа коллекторских свойств горных пород.

3. Наиболее совершенным и высокопроизводительным прибором для ИКС горных пород, по нашему мнению, является инфракрасный анализатор ИКАР-9, разработанный Тверской государственной медицинской академией.