СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНО-КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОРОД ЧЕРНОСЛАНЦЕВЫХ НЕФТЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ
METHOD FOR DETERMINING THE MINERAL COMPONENT COMPOSITION OF ROCKS OF BLACK SHALE OIL-BEARING FORMATIONS

Изобретение относится к нефтегазовой геологии и применяется для оперативного получения данных по химическому составу пород на керне скважин и повышения информативности этих данных путем пересчета химического состава горных пород черносланцевых нефтеносных формаций в минерально-компонентный.
Способ применим для черносланцевых нефтеносных формаций, таких как абалакская и баженовская свиты Западно-Сибирской плиты, доманиковая формация Русской плиты, хадумский надгоризонт Предкавказья и их аналогов, для которых характерны тонкослоистость строения и высокая изменчивость состава пород по вертикали разреза, что требует высокой детализации данных; основывается на оперативном определении химического состава пород посредством использования портативного рентгенофлуоресцентного анализатора на продольно распиленном керне с последующим пересчетом химического состава в содержания минералов и компонентов пород.
Базовыми данными служат результаты определений химического состава пород, полученные методом рентгенофлуоресцентного анализа (общепринятые сокращенные обозначения метода - XRF, РФА, РФлА). Основной задачей способа является изучение содержаний в породе элементов, наиболее значимых для черносланцевых формаций, среди которых: Mg, Са, K, Al, Si, Р, Ti, Fe, Mn, S, As, Se, Zn, Cu, Ni, V, Rb, Sr, Zr, Mo, Th, U. Определение химического состава по основной вмещающей массе пород и по включениям в породе (конкрециям, линзам, контрастным прослойкам и прочее) проводятся отдельно. На основе химического состава рассчитывается содержание минерально-компонентных составляющих, определяющих наиболее важные минерально-геохимические характеристики черносланцевого нефтеносного разреза: биогенного кремнезема, кальцита, доломита, пирита, терригенной примеси и глин (алюмосиликатов), фосфорита, барита. Экспрессность метода позволяет производить большое число определений состава по керну скважины, тем самым добиться максимальной детализации результата изучения геологического разреза (с шагом точек определения состава до 0,01 м), что превышает детальность высокоразрешающих методов геофизического каротажа, используемых в скважинах.
В сегодняшней нефтяной геологической практике для оценки минерально-компонентного состава пород используется целый комплекс методов, в числе которых наиболее распространены XRF и метод рентгеновской дифракции (XRD). Предлагаемый способ расчета минерально-компонентного состава отчасти является альтернативой методу XRD, при этом для нефтеносных черных сланцев претендует на большую точность при меньших время- и трудо-затратах. Использование в мировой практике метода XRD для определения минерального состава хорошо зарекомендовало себя на самых разных геологических объектах. Однако, метод трудоемок в пробоподготовке (требуется однородная порошковая навеска), не оперативен, и относительно дорогостоящий. Результат XRD является полуколичественным. В случае низких концентраций отдельных минералов их диагностика может быть некорректна. Таким образом, содержание некоторых ключевых и диагностических минералов, служащих индикаторами той или иной геологической ситуации, методом XRD может быть определено некорректно. Поэтому для нефтеносных черносланцевых формаций возникает необходимость применения способа, который позволит с должной степенью детальности в условиях тонкослоистости геологического разреза определить минерально компонентный состав.
Известен способ определения содержания отдельных минералов или компонентов в горных породах по данным геофизических каротажных методов на основе расчетных значений концентраций радиоактивных элементов (RU 2149428 С1, 20.05.2019). Технический результат выражен в повышении точности определения содержания минералов или компонент в горной породе с учетом специфики исследуемого геологического объекта. В способе используются результаты определения содержаний концентраций естественных радиоактивных элементов и отдельных минералов или компонент в горных породах на образцах керна. Расчет минерально-компонентной модели объекта производится по данным интерпретации материалов геофизического каротажа.
Недостатком известного способа является необходимость предварительного изучения образцов керна из опорных скважин с последующей эталлонировкой по данным гамма-спектрометрических (получение содержаний урана, калия, тория) и XRD исследований (полуколичественный минеральный состав). Расчет минерально-компонентного состава производится по косвенным методам, исходит из соотношения концентраций естественно радиоактивных элементов, выявленных в эталонных образцах с приуроченностью к определенным минералам и компонентам породы. Известный способ не позволяет разделять карбонатные минералы - кальцит и доломит. Кроме того, применяемый подход выдаст малоинформативный результат при работе с таким специфическим объектом, как нефтеносные черные сланцы, в которых детальная дифференциация состава трудноуловима методами дифрактометрии (XRD), на которых основывается способ, а тонкослоистость разреза вносит неопределенность в интерпретацию данных естественной радиоактивности, за счет неоднозначности влияния каждого конкретного агента на составляющие радиоактивности.
Техническим результатом предлагаемого нами способа является повышение детальности, точности, оперативности исследований состава пород черносланцевых нефтеносных формаций при снижении стоимости их проведения.
Технический результат достигается тем, что способ определения минерально-компонентного состава пород черносланцевых нефтеносных формаций заключается в том, что посредством использования портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов химического состава на продольно распиленном керне определяют химический состав пород, с детальной привязкой к геологическому разрезу и типу горной породы, при этом по результатам обработки этих данных производят расчет главных породообразующих минералов и компонентов породы, отдельно по основной вмещающей массе пород и по включениям в породе, и в результате получают максимально детальную характеристику химического состава породы по Mg, Са, K, Al, Si, Р, Ti, Fe, Mn, S, As, Se, Zn, Cu, Ni, V, Rb, Sr, Zr, Mo, Th, U, с расчетным содержанием наиболее важных параметров минерально-компонентного состава черносланцевых нефтеносных формаций: биогенного кремнезема, кальцита, доломита, пирита, терригенной примеси и глин (алюмосиликатов), фосфорита, барита, причем частота производимых определений состава по разрезу превышает детальность высокоразрешающих методов геофизического каротажа. Химический состав пород определяют на продольно распиленном керне с максимально частым шагом 0,01-0,3 м.
В настоящем способе предложен подход, который позволяет максимально оперативно получить количественные данные химического состава пород по большому количеству образцов (проб, анализируемых точек). Точка, в которой определяется состав, получает надежную метрическую привязку к разрезу и геологическую привязку к типу породы или включению в породе. Результат XRF в процентах и известных погрешностях (определяется конкретным используемым портативным XRF-анализатором) является базовым массивом данных для определения минерально-компонентного состава породы в массовых и объемных процентах, кроме того, рассчитывается минералогическая плотность породы. В основе формульного расчета содержаний минеральных компонентов лежат константы и ограничения, подобранные под специфику черносланцевых пород; учтены их типовые геохимические особенности в распределении химических элементов в минеральных фазах. Таким образом, для получения химического и минерального состава породы возникает необходимость в проведении только одного вида анализа - XRF, который осуществляется без пробоподготовки, непосредственно на горной породе без ее разрушения, с детализацией вплоть до 1 см. В качестве приборного оснащения применяется портативный XRF-анализатор. Рекомендуется использовать приборы серии X-Met 7500 и 8000 компании Oxford Instruments Analytical и Hitachi, либо другие, аналогичные по техническим характеристикам. При работе прибора выставляются настройки, предназначенные для определения легких (по молярной массе) химических элементов. Длительность замера выставляется в пределах 60 секунд. Учитывая специфику состава наиболее распространенных нефтеносных черных сланцев и опираясь на их априорную среднестатистическую минерально-компонентную модель, для расчета фактического минерально-компонентного состава необходимы данные по следующим элементам: Mg, Са, K, Al, Si, Р, Ti, Fe, Mn, S, As, Se, Zn, Cu, Ni, V, Rb, Sr, Zr, Mo, Th, U.
Для работы используется только продольно распиленный вдоль оси керн. Спил должен быть ровным, без существенных неровностей. Несоответствие этому требованию приводит к неконтролируемым погрешностям в результатах определения состава, искажает качество визуального наблюдения участка породы, на котором определяется химический состав. Коробки или ящики с керном выкладываются на столы так, чтобы специалист мог изучать геологический разрез последовательно снизу вверх или сверху вниз. Далее в разрезе скважины выделяют и помечают реперные лито логические и стратиграфические границы, необходимые для геологической привязки точек определения химического состава (образцов пород); в качестве меток используют клеящиеся цветные стакеры. На стикерах стрелочкой помечают направление вверх по разрезу и делают подпись слоя, пачки, типа породы. Отдельно размечают включения в породе (конкреции, линзы, остатки фауны, крупные литокласты и прочее). В пределах каждого литологического слоя цветным мелом одного определенного цвета (или другим видом цветного стакера) точками или короткими штрихами помечают участки породы для анализа, с учетом требуемого шага (0,01-0,3 м). При работе с керном, а именно в процессе изымания керна из коробки и возвращения его на прежнее место, во избежание путаницы кусков керна и их правильной ориентировки верх-низ, цветные пометки на керне мелом / стикерами необходимо делать с одной стороны относительно оси керна (все с правой или все с левой стороны). После нанесения цветных меток на всем изучаемом интервале керна скважины, при помощи рулетки или длинной линейки с известной глубины по бурению делают измерение глубины каждой точки породы, помеченной цветным мелом/цветным стикером для анализа состава. Точность разметки точек составляет 0,5 см. Результаты измерений рулеткой для каждой точки заносят в сопроводительную таблицу. В эту же таблицу заносят необходимые комментарии и заметки о наблюдаемых особенностях в данной точке породы: цвет, предполагаемый состав, неоднородность поверхности и прочее. Таким образом, точки привязываются к глубине происхождения керна и получают геологические сопроводительные комментарии. На каждый слой породы, даже визуально однородный, производят определения состава в нескольких точках так, чтобы соблюсти средний шаг таких точек по разрезу (по длине керна) в пределах 0,01-0,3 м.
Определение состава производиться на ровной однородной поверхности керна без выраженных неровностей. Лучше всего использовать поверхности спилов кусков керна, при этом ровный спил породы помещается на окно с датчиками XRF-анализатора, либо, напротив, анализатор фиксируется сверху на выбранном спиле породы. Специалисту необходимо убедиться, что на окно анализатора попал необходимый участок породы и только после этого запустить на анализаторе процесс определения состава. Отдельно производятся определения состава разного рода включений и неоднородностей; эти соответствующие примечания заносятся в память портативного анализатора вместе с указанием глубины и порядкового номера анализируемой точки, кроме того, они заносятся в сопроводительную таблицу. Общее время на выполнение одного определения состава в одной точке занимает от 1,5 до 2 минут с учетом времени работы анализатора (около 1 минуты) и сопровождающие примечания к анализируемым точкам.
Последующие обработка и анализ химического состава вмещающей основной массы и включений в породе производится отдельно. Результатом определения химического состава пород служат таблицы со значениями элементного состава пород по каждой анализируемой точке (образцу), с погрешностями определений состава для каждого химического элемента, а также графики с содержаниями всех определяемых химических элементов в геологическом разрезе. Графики концентраций химических элементов или соотношений выбранных элементов используются для отображения состава геологического разреза вместе с лито логической колонкой, каротажными данными и прочими результатами исследований. Численные значения используются для расчета минерально-компонентной модели.
По содержанию полученных химических элементов рассчитываются следующие минералы и неорганические компоненты породы: кремнезем (свободный, в том числе, биогенного происхождения), кальцит, доломит, фосфорит (апатит), терригенные компоненты и глины (алюмосиликаты: глины+полевые шпаты+слюды), пирит, органическая сера, компонент оксидного железа, барит, компонент карбоната марганца.
Принятый нами перечень минерально-компонентных составляющих для работы с черносланцевыми нефтеносными формациями объясняется ниже.
Большинство черносланцевых формаций, например, таких как баженовская свита и доманиковая формация, имеют существенно биогенное (биохемогенное) происхождение, то есть, осадки, ставшие породами, образовывались в результате осаждения на дно водоема умерших организмов, сопутствующего и дальнейшего их преобразования. Преобладающий тип минерального скелета организмов, живущих в палеобассейне, определяет преимущественный состав образующихся пород: кремневый, карбонатный, фосфатный или их смесь. Другие компоненты привносились в морской бассейн извне (течениями и ветрами). Таким образом, в черносланцевых нефтеносных формациях выделяются биохемогенные (сформировавшиеся в морском палеобассейне) и терригенные (привнесенные в морской палеобассейн) компоненты, и эти две группы при анализе состава необходимо отделять в первую очередь.
К биохемогенным компонентам относятся: кремнезем биогенного происхождения и вторично хемогенного (по первично биогенным остаткам), карбонатные минералы (кальцит, доломит, сидерит), пирит, фосфорит (апатит).
К терригенным компонентам в черносланцевых формациях относят: слюды, полевые шпаты, хлориты, обломочные зерна кварца и глинистые минералы. При этом, одни глинистые минералы поставляются в осадочные бассейны как тонкодисперсная примесь в комплексе терригенного вещества, а другие образуются аутигенно, прежде всего по вышеназванным терригенным компонентам. Для упрощенного понимания геологии черных сланцев все слюды, полевые шпаты, хлориты, обломочные зерна кварца и глинистые минералы отнесены к единой генетической группе - алюмосиликаты.
Кроме того, некоторая доля оксидного железа поставляется в черносланцевые осадочные бассейны в виде терригенной примеси (минералы железа, такие как, магнетит, титаномагнетит, гематит и пр.). Как правило, содержание такого привнесенного компонента железа крайне мало, и в большинстве случаев им можно пренебречь.
4
3
В образцах пород черносланцевых нефтеносных формаций характерны также барий (Ва) и марганец (Mn). Наиболее распространенным минералом, содержащим Ва, является барит. Присутствие барита в черносланцевых формациях подтверждается петрографическими исследованиями шлифов, электронной микроскопией и результатами XRD. Другие минералы бария крайне редки и поэтому исключены из рассмотрения, по этим соображениям весь барий в составе породы пересчитывается на барит (BaSO). Концентрация Мп увеличивается в карбонатных разностях, что указывает на его преимущественную принадлежность к карбонатам, поэтому весь Мп пересчитывается на MnCO.
2
3
3
4
2
3
3
Сера и железо в черносланцевых формациях чаще всего ассоциируют, кроме того контролируются преимущественно пиритом, в меньшей степени другими сульфидами. Реже встречаются органическая сера и железо в оксидной форме. Кроме того, железо в черносланцевых формациях, помимо сульфидного (FeS - пирит) может быть в карбонатной форме (FeCO), а также в виде примеси рудных минералов (магнетит FeO, гематит FeO и др.). Поскольку несульфидное железо может представлять самые разнообразные минералы, где оно представлено, главным образом, оксидной формой, то в данном способе оно пересчитывается на оксид двухвалентного железа (FeO). Двухвалентная форма железа обусловлена бескислородными условиями во время формирования черносланцевых формаций. В карбонатных разностях несульфидное железо корректнее пересчитывать на карбонат двухвалентного железа (FeCO).
Методика расчета
Определение содержания минералов и компонент породы производится в следующей последовательности.
1. Барит
4
(Ba)
Теоретическая формула минерала барита - BaSO. Сера присутствует в нескольких минералах, а барий только в барите, поэтому на первом этапе расчета определяется содержание серы, связанной барием в барите. Атомное соотношение Ва и S в барите 1:1, весовое соотношение вычисляется через атомные массы и равно 137,33:32,06. По этому соотношению вычисляется сера, содержащаяся в барите (S):
общая
баритовая
(Пирит+OB)
Получившаяся баритовая сера сравнивается с исходным содержанием серы в породе (S). Если содержание исходной серы больше или равно содержанию баритовой серы, то баритовая сера принимается за фактическое содержание серы в барите (S) и рассчитывается оставшаяся в породе сера, представленная в пирите и в органическом веществе (S). Если рассчитанная баритовая сера получилась больше общего содержания серы в породе, то за фактическое содержание серы в барите принимается общая сера.
4
2-
Из фактической баритовой серы рассчитывается кислотный остаток серной кислоты (SO) образующий барит и по сумме бария и кислотного остатка серной кислоты определяется содержание минерала барита.
2. Фосфорит (Апатит)
10
5
23
2
4
3
(P)
3-
2-
-
-
Осредненная формула апатита CaPCOF(ОН). Принимается, что весь фосфор в породе представлен апатитом, поэтому по содержанию фосфора рассчитываем анионы (РО, СО, F и ОН) и кальций, который содержится в апатите (Са).
4
3-
PO=94.97 * Р/30.974
3
2-
CO=60.008 * Р/154.87
-
F=37.996 * Р/154.87
-
ОН=17.007 * Р/154.87
(Р)
Са=400.78 * Р/154.87
(P)
oбщuй
По аналогии с серой, сравнивается рассчитанный кальций (Са) с исходным (Ca).
Содержание апатита определяется суммой его компонентов:
3. Кальцит и доломит
3
3
2
3
3
Теоретическая формула кальцита - СаСО, но в природе очень редко встречается такой чистый кальцит, обычно в нем присутствуют примеси других двухвалентных металлов, в основном магния. Доломит с теоретической формулой CaMg(CO) представляет собой изоморфный ряд между кальцитом (СаСО) и магнезитом (MgCO), при этом соотношения магния и кальция колеблется в больших пределах. Также, очень часто, эти минералы присутствуют в породе одновременно.
кapбонатный
общий
Разделение кальцита и доломита основано на соотношении магния и кальция в породе. Эмпирическим путем на большой представительной выборке образцов с заведомо известными содержаниями кальцита и доломита были получены граничные значения по Mg/Ca: значения меньше 0,085 - встречены в кальците; значения больше 0,34 - соответствуют доломиту. При соотношении Mg/Ca от 0,085 до 0,34 в породе присутствуют и кальцит и доломит. Стоит отметить, что для вычисления соотношения Ca/Mg берется кальций и магний содержащиеся только в карбонатах. Карбонатный кальций рассчитывался выше, а карбонатный магний (Mg) в нашем случае соответствует всему исходному магнию (Mg).
При наличии в породе обоих минералов, содержащиеся в пробе карбонатные Са и Mg делятся на кальцитовые и доломитовые Са и Mg. При этом в кальците соотношение Mg/Ca должно быть равно 0,085, а в доломите - 0,34. Получается следующая система уравнений:
Результат решения системы уравнений:
3
3
После этого Са и Mg пересчитываются в СаСО и MgCO и считается содержание кальцита и доломита в пробе.
или
или
4. Алюмосиликаты
В состав алюмосиликатов входят оксиды алюминия, кремния, калия, натрия и других элементов, содержание которых в алюмосиликатных минералах черносланцевых пород значительно ниже, поэтому в методике учитываются только перечисленные выше.
Оксиды алюминия и калия рассчитываются из исходных содержаний элементов в породе:
2
3
AlO=102 * Al/54
2
KO=94 * K/78
(Al)
Кремний, входящий в состав алюмосиликатов (Si) рассчитывается через алюминий. Среднее соотношение алюминия и кремния в глинах и полевых шпатах 1:1. Таким образом:
В глинах, которые составляют большую часть алюмосиликатов в черносланцевых формациях, очень много кристаллически связанной воды, в среднем больше 10%, этот факт тоже учитывается в расчетах:
5. Кремнезем
2
Теоретическая формула кристобалита, халцедона и кварца - SiO. Для определения содержания кремнезема рассчитывается кремний входящий в состав кремнезема
(Si кремнезем).
И полученный кремний пересчитывается в кремнезем:
6. Пирит
2
общее
Пирит+ОВ
Теоретическая формула пирита FeS, соответственно теоретическое соотношение Fe/S равно 0.875. Но на практике соотношение железа к сере в пирите колеблется от 0,6 до 0,95. Именно этот диапазон значений и используется для расчета пирита. Для вычисления соотношения Fe/S берутся сходное железо (Fe) и сера, оставшаяся после расчета барита (S).
Если соотношение железа и серы от 0,6 до 0,95, то пирит рассчитывается как сумма железа и серы:
opг
Пирит
Если отношение меньше 0,6, то помимо пирита в породе присутствует органическая сера (S). В таком случае сера, содержащаяся в пирите (S), рассчитывается через соотношение 0,6 и, затем, рассчитываются пирит и органическая сера:
Пирит
Если отношение больше 0,95, то в породе присутствует оксидное железо, которое рассчитывается как оксид двухвалентного железа (FeO). В таком случае железо, содержащееся в пирите (Fe), рассчитывается через соотношение 0,95 и, затем, рассчитываются пирит и оксидное железо:
3
7. MnCO
3
Карбонат марганца может содержаться в виде примеси в кальците или доломите. Высокие содержания MnCO указывают на присутствие в породе минерала кутногорита или родохрозита. Рассчитывается карбонат марганца по содержанию марганца через соотношение атомных весов марганца и карбоната марганца:
После расчета всех компонент получившиеся результаты нормируются на 100%.
Исходными данными являются содержания элементов в пробе в массовых процентах, поэтому результат пересчета в минералогию получается также в массовых процентах. Далее массовые проценты пересчитываются в объемные проценты.
Пересчет в объемные проценты
Через массовые проценты и плотность рассчитывается объем компонента в пробе массой 100 г. Плотности компонент представлены в таблице 1.
комп
масс, %
комп
V=С/δ
сумм
По сумме объемов всех компонентов вычисляется суммарный объем (V) и рассчитывается содержание в объемных процентах:
Расчет минералогической плотности породы:
На сегодняшний день скорость получения информации, объем получаемых данных, а также снижение стоимости затрат носят приоритетный характер в нефтегазовой геологии. Предлагаемый способ позволяет обеспечить прирост геологических данных (детализация состава горных пород) при низких затратах и в оперативном режиме. Комбинация использования портативного XRF анализатора и предложенного способа расчета минеральных и неорганических компонентов позволяет быстро и детально оценивать состав пород, находясь в полевых условиях, на буровой или в кернохранилище. Полученные результаты позволяют дополнять и контролировать литологическое описание керна, помогают классифицировать горные породы и их литологические типы, нормировать данные геофизического каротажа и прочее.