Наиболее полное расчленение пород по минеральному составу при исследовании разрезов скважин обеспечивается прямыми методами минералогического анализа керна. Однако анализ шлифов при значительной его трудоемкости недостаточно представителен и надежен. Разделение образцов на мономинеральные фракции и исследование этих фракций - метод очень трудоемкий и неэкспрессный. Эти методы не могут эффективно использоваться при исследовании шлама, который в отличие от керна поступает в процессе бурения скважины практически непрерывно и может документировать весь разрез скважины без пропусков. Кроме того, эти методы реализуются обычно в стационарных лабораториях и не могут выдавать информацию о минералогических и соответственно литологических особенностях разреза непосредственно на скважине в процессе бурения.

В КО ВНИИГИС проведены исследования, показавшие возможность минералогического расчленения разрезов скважин с помощью экспрессного многоэлементного анализа, осуществляемого рентгенофлюоресцентным методом. Этот метод [1] основан на возбуждении атомов вещества породы с последующим испусканием характеристического рентгеновского излучения с длинами волн, соответствующими конкретным элементам, входящим в ее состав. Выделение излучения с той или иной длиной волны, интенсивность которого характеризует содержание определяемых элементов, осуществляется или по принципу амплитудной селекции (например, с применением полупроводниковых спектрометров), или путем использования дифракции этого излучения на кристаллических структурах со специально подобранными межплоскостными расстояниями. Возбуждение флюоресцентного излучения при этом осуществляется или радиоактивным источником, или малогабаритной рентгеновской трубкой.

Нами использовались две модификации рентгенофлюоресцентного метода: рентгенорадиометрический с радиоактивными источниками ⁵⁵Fe и ¹⁰⁹Cd и полупроводниковым спектрометром с кремниево-литиевым детектором [3] и рентгенодифракционный на разрабатываемой НПО “Буревестник” аппаратуре с возбуждением флюоресцентного излучения рентгеновской трубкой, дифракцией излучения на специально подобранных кристаллах-анализаторах и регистрацией излучения определяемых элементов газоразрядными проточными счетчиками (кристаллы-анализаторы и счетчики находятся в вакууме). В измельченных до 200-300 меш пробах керна и шлама, спрессованных в таблетки толщиной 3 мм, определялись магний, алюминий, кремний (рентгенодифракционным методом), сера, хлор, калий, кальций, железо (рентгенодифракционным и рентгенорадиометрическим методами). При рентгенорадиометрическом методе регистрировался спектр флюоресцентного излучения, который затем математически обрабатывался с выделением излучений соответствующих элементов. При рентгенодифракционном анализе регистрировалось непосредственно излучение каждого элемента в отдельности. Для количественного определения содержания элементов проводились в тех же условиях замеры аттестованных стандартов горных пород, в которых концентрации определяемых элементов точно известны. Учет взаимного влияния входящих в породу элементов осуществлялся в процессе математической обработки результатов анализа на ЭВМ.

Результаты элементного анализа пересчитывались с учетом стехиометрических формул минералов на минеральный состав пород. В карбонатных породах по Са, Mg и S определялось содержание кальцита, доломита и сульфатов (без разделения на гипс и ангидрит), по хлору - содержание соли в пересчете на NaCl, по Al, Si, К - содержание терригенной компоненты (глинистых минералов и свободного кремнезема). В терригенных отложениях содержание Al, Si, К пересчитывалось на содержание глинистых минералов, полевых шпатов и свободного кремнезема. При этом использовались априорные данные о преимущественном типе глин и полевых шпатов в изучаемых отложениях. Для облегчения минералогических пересчетов нами были составлены специальные номограммы, обеспечивающие экспрессное решение систем уравнений, соответствующих стехиометрическим соотношениям.

В качестве примера на рис. 1 приведена номограмма для определения кальцита, доломита и сульфатов в карбонатных породах по значениям кальция, магния и серы. Содержания доломита и сульфатов считываются на двойных шкалах III и V против отметок, соответствующих концентрации магния и серы. Для определения содержания кальцита отметки на шкалах, III, V, отвечающие значениям Mg и S, соединяются прямой. Через точку пересечения этой прямой со вспомогательной осью IV и отметку на шкале II, показывающую содержание кальция, проводится вторая прямая, которая на оси I отсекает отрезок, характеризующий концентрацию СаСО₃.

Аналогичные номограммы рассчитаны для определения в терригенных породах глинистых минералов (каолинита или гидрослюды), полевых шпатов (ортоклаза или плагиоклаза) и свободного кремнезема.

В карбонатных породах с учетом соотношения входящих в породу минералов по принятым критериям классификации [2, 4] давалась литологическая характеристика породы (например, известняк доломитистый или доломитовый, доломит глинистый и т. д.).

Возможности исследования карбонатного разреза можно продемонстрировать ( рис. 2 ) результатами элементного и минералогического анализа керна (интервалы 1358- 1390 и 1688-1745 м) и шлама (интервал 1150-1715 м) в скв. 1 Сюльдюкарской площади (Якутия). Разрез ее представлен в основном доломитами. В интервале 1172- 1340 м наблюдается заметное увеличение содержания кальцита, в интервале 1340- 1360 м доломит замещается известняком. Среднее содержание сульфатов 10-15%, на отдельных участках (например, интервал 1460-1510 м) степень сульфатизации породы увеличена. В интервале 1450-1660 м встречены соленосные пласты и пропластки. Количество глинистого материала по разрезу невелико, содержание кремнезема, как правило, не превышает 20 %. Сопоставление результатов элементного и минералогического анализов с результатами геофизических исследований позволяет сделать вывод об отсутствии заметных ошибок в привязке шлама по глубине. В частности, диаграмма естественной активности, измеренной на образцах шлама, существенно не расходится с диаграммой ГК, соленосные участки разреза коррелируются с интервалами, характеризующимися повышенными показаниями НГК.

В качестве примера использования излагаемой методики в терригенных разрезах на рис. 3 приведены в сопоставлении с данными ГИС результаты элементного и минералогического анализов керна по скв. 23 Среднеботуобинской площади (Якутия), где была неясна причина повышения ГК в интервале 1908-1911,5 м, характеризующемся хорошими коллекторскими свойствами Повышение значений ГК связано здесь, судя по концентрациям глинистых минералов и полевых шпатов, не с увеличением глинистости (это подтверждается и данными о низких содержаниях тория по замеру естественной радиоактивности), а со значительным содержанием в породе полевых шпатов. Литологическая характеристика пласта выше 1908 м (кварцевые песчаники) и ниже 1911,5 м (аргиллиты) совпадает как по данным ГИС, так и по результатам элементного и минералогического анализа. Последний позволил при этом оценить среднее содержание кварца в верхнем интервале (95 %) и глинистых минералов (25-30%) в нижнем, а также помог выделить прослой 1905-1905,3 м, несколько обогащенный сульфатами (до 2,5 % CaSO₄) и карбонатным материалом (до 3 % СаСO₃).

Приведенные выше результаты показывают перспективность применения рентгенофлюоресцентного метода для элементного и минералогического анализа и уточнения литологической характеристики разрезов скважин.

Разработанная методика анализа применима без каких-либо изменений для анализа как керна, так и шлама. Наиболее целесообразно использование для определения всего комплекса элементов рентгенодифракционного метода. С учетом времени приготовления проб (15 мин на одну таблетку) и времени замера (не свыше 100 с на одно элементоопределение) можно сделать вывод, что экспрессность анализа достаточна для проведения его непосредственно в процессе бурения скважины.

1. Афонин В.П., Гуничева Т.Н. Рентгеноспектральный флюоресцентный анализ горных пород и минералов. Новосибирск, Наука, 1977.
2. Гмид Л.И., Левин С.Ш. Атлас карбонатных пород-коллекторов. Л., Недра,1972.
3. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флюоресцентного рентгенорадиометрического анализа. М., Атомиздат, 1976.
4. Пустовалов Л.В. Петрография осадочных пород. М. - Л., Гостоптехиздат,1940.

Рис. 1. Номограмма для определения содержания кальцита, доломита и сульфатов по данным элементного анализа.

Пример расчета : дано - элементный состав: S - 4,5%, Mg - 1,7%, Са - 31,5%; результаты - минеральный состав: сульфаты - 18,3 %, доломит - 12,5 %, кальцит - 56,5 %

Рис. 2. Результаты минералогического анализа керна и шлама по скв. 1 Сюльдюкарской площади.

1 - доломит известковый (известковистый), 2 - известняк доломитовый (доломитистый), 3 - доломит с примесью сульфатов, 4 - соль+доломит+сульфаты, 5 - доломит, окремненный с примесью соли, 6 - сульфаты доломитистые, 7 - соль с примесью доломита

Рис. 3. Результаты минералогического анализа керна по скв. 23 Среднеботуобинской площади.

1 - песчаник кварцевый, 2 - песчаник кварцево-полевошпатовый, 3 - глинистые породы