К оглавлению

УДК 550.832.5

Применение методов ядерно-физического элементного анализа керна и шлама при решении некоторых геологических задач

В.X. АХИЯРОВ (ВНИПИвзрывгеофизика), В.И. ГУМА, В.П. ОГОРОДНИКОВА, И.М. ПЛЮСНИН, Ю.С. ШИМЕЛЕВИЧ (ВНИИгеоинформсистем), В.В. СЕМЕНОВИЧ (МГУ), Ф.З. ХАФИЗОВ (Главтюменьгеология)

В начале 60-х годов начало развиваться новое направление ядерной геофизики и геохимии: использование ядерно-физических процессов для определения элементного состава горных пород и руд. Однако при поиске и разведке месторождений нефти оно вначале не нашло широкого применения. Лишь в последние годы его начали применять в нефтяной и газовой геологии [2, 3]. Современное состояние лабораторных методов ядерно-физического анализа (ЯФА) проб горных пород и флюидов обусловлено появлением и широким внедрением в практику таких методов элементного анализа как рентгено-спектральный и рентгено-флюоресцентный, нейтронно-активационный, нейтронно-радиационный (НРА) и другие, с помощью которых определяются основные породообразующие элементы и микроэлементы. В силу экспрессности, массовости и непрерывности этих видов анализа и возможности непрерывной связи с ГИС они находят все более широкое применение для решения научных и прикладных задач при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Ведутся работы по созданию рационального комплекса методов ЯФА, аппаратуры, методики анализа и интерпретации данных изучения вещественного состава керна, шлама и флюида.

Нами рассмотрен опыт использования ЯФА для решения задач на различных этапах поисков и разведки месторождений нефти и газа. Публикации, посвященные применению этих методов не только в рудной, но и в нефтегазопоисковой геологии для изучения элементного состава горных пород и их физико-химических свойств (влажность, пористость и т. д.), немногочисленны. В то же время накопленный материал свидетельствует о многообразии областей возможного применения ЯФА в нефтегазовой геологии. К настоящему времени накоплен значительный фактический материал по учету основных породообразующих элементов для определения степени карбонатности пород, их доломитизации, глинистости, сульфатности, сульфидности и хлоридности. По этим параметрам с помощью нейтронных методов многоэлементного анализа расчленены разрезы осадочных пород на некоторых площадях Татарии, Северо-Западного Казахстана, Восточной и Западной Сибири [2, 3]. Так, по данным НРА и рентгено-радиометрического анализов шлама составлена литологическая колонка отложений тюменской свиты скв. 2868 Талинской Западной Сибири (рис. 1). Для геологической характеристики разреза скважины привязка проб шлама к глубине проводилась по специально разработанной методике. Интерпретация элементного состава пород позволила получить информацию о положении пород фундамента и перекрывающей его осадочной толщи, гранулометрическом, литологическом, минералогическом составе пород, изменении минералогического состава глинистого материала в глинистых пластах и в цементе песчаных пород и т. д.

Наличие подобной информации по двум и более скважинам на одной площади позволит решать геологические задачи геологоразведочного процесса: проведение корреляции разрезов скважин, построение профилей и структурных карт, выявление зон литологического замещения и пр.

Как показали результаты последних исследований, возможности получения в короткие сроки принципиально новой информации о породах по элементному составу значительно шире. До последнего времени данные о микроэлементном составе пород использовались в основном для выявления геохимии заключенного в них ОВ. Новые интересные результаты получены при использовании НРА и инструментального нейтронно-активационного анализов микроэлементного состава пород. Они находят применение в области не только геологических, но и геохимических и геофизических исследований.

Дифференциация литологически однородных пластов по микроэлементному составу. Эффективность изучения микроэлементного состава пород при решении задач геологического расчленения разреза показана на примере сеноманских отложений площади Харасавэй (п-ов Ямал), изученных с помощью инструментального нейтронно-активационного реакторного анализа. Применение программ статистического анализа, корреляционного группирования и таксометрического анализа при обработке результатов позволило в изученном разрезе выделить несколько ритмов осадконакопления и установить положение древних ГВК. Кроме того, однородная по макроописанию пачка песчаников оказалась разбитой на несколько слоев, отличающихся микроэлементным составом (рис. 2). Это прослои (П₂), для которых характерно нарастание концентраций микроэлементов, свойственных глинистым породам, и прослои (П₄), имеющие более «песчанистый» облик и содержащие такие микроэлементы, как церий, гафний и тербий. Следовательно, данные о микроэлементном составе пород позволяют проводить дополнительную дифференциацию пластов, однородных по содержанию основных породообразующих элементов. Информация о степени литологической однородности объекта важна как при геологических построениях на стадии поисковых работ, так и на этапе подсчета запасов, так как позволяет выявлять эталонные и реперные пласты для интерпретации результатов комплекса ГИС и определения подсчетных параметров.

Новые возможности ЯФА в области геохимических исследований продемонстрированы на примере задач, не поддающихся решению с помощью интерпретации геофизических материалов. Например, возможна палеогеографическая корреляция условий осадконакопления и решение задач, дополняющих исследования об ОВ пород. Основным при этом является метод НРА, поскольку в число определяемых им элементов входят такие, как бор и водород, пороги их обнаружения составляют соответственно n*10^-5 и n*10^-1 %.

Характеристика условий осадконакопления. В соответствии с геохимическим поведением ряда элементов в осадочном процессе [1], бор считается основным элементом-индикатором палеосолености бассейна осадконакопления, так как он интенсивно адсорбируется глинистыми минералами, тонкорассеянным ОВ и осаждается с гидроокислами некоторых металлов, а адсорбция его глинами зависит от рН среды, концентрации в растворе, температуры и солености вод. Морские отложения содержат бора больше, чем континентальные: в среднем валовые концентрации бора в пресноводных осадках составляют 1*10^-4-5*10^-3%, в морских - более 5*10^-3 %. В морских отложениях количество бора увеличивается от дельты в глубь морского бассейна. В отдельных литологических разностях тонкозернистые осадки содержат бора больше, чем грубозернистые, поскольку основным носителем бора является глинистая составляющая пород. Вследствие этого, для пород, отлагавшихся в одинаковых условиях, возможно определение степени глинистости пород по бору.

Основой для проведения палеогеографических построений с учетом данных НРА послужили данные об элементном составе пород тюменской свиты Талинской площади (см. рис. 1). Как отмечалось выше, здесь разрез сложен песчаными и глинистыми пластами. Концентрации бора, по данным НРА, в литологически однотипных породах оказались различными: в основании тюменской свиты они изменяются от (1,5-2,5)*10^-3 % в песчаниках и гравелитах до 5*10^-3 % в глинах; выше по разрезу эти предельные содержания возрастают до (3-7)*10^-3 %, а в кровле пород тюменской свиты достигают (6-12)*10^-3 %. Приводимые соотношения наглядно показывают, что, согласно существующей схеме распределения среднего количества валового бора в различных литологических типах пород, генезис их неодинаков: нижняя часть разреза тюменской свиты представлена отложениями пресноводных фаций, верхняя - морских. Для более дробного выделения генетических групп (речные, озерные и т. п.) необходимо проведение специальных исследований по изучению концентрации бора в различных фациальных обстановках конкретного региона (в данном случае - Красноленинского свода Западной Сибири). Приведенные результаты показывают, что метод НРА может использоваться для литолого-фациального изучения полифациальных отложений.

Определения соотношения рассеянной и концентрированной форм ОВ в породах. В тесной связи с изложенным находится еще одна новая задача, решаемая с помощью НРА: выяснение количественного соотношения РОВ и концентрированной форм (КОВ), заключенного в породе ОВ. Необходимость получения данной информации возникает, например, при интерпретации результатов комплекса ГИС, когда вопрос, касающийся присутствия в породе рассеянного угольного вещества, остается неясным. Для решения поставленной задачи необходимо изучение соотношения содержания между бором и водородом. Известно [1], что между концентрацией бора и РОВ, обусловленных присутствием в породе глинистого материала, существует прямая корреляционная связь. На основании этого положения открывается возможность считать соотношение концентраций бора и РОВ константой для пород, сформировавшихся в едином бассейне осадконакопления. По разности суммарного водородосодержания и водорода, обусловленного рассеянным ОВ, с определенной долей вероятности можно получать информацию о присутствии в породе КОВ - керогена, угля и т. д. Пример использования этого соотношения для выделения в разрезе угольных пластов и углистых сланцев показан на рис. 1. Знание величины водородосодержания, обусловленного КОВ, может явиться дополнительной информацией и при изучении количества, типа и степени катагенетического преобразования ОВ в таких сложных органоминеральных комплексах, как породы баженовской свиты.

Прогнозирование продуктивности площадей и пород-коллекторов. В настоящее время начаты работы по использованию микроэлементного состава пород для прогнозирования залежей нефти и газа. Получены первые результаты, показывающие, что в глинистых породах продуктивной площади по мере приближения к нефтесодержащим пластам, наблюдается резкое увеличение количества таких микроэлементов, как церий и неодим (по данным рентгеноспектрального анализа).

Петрофизическое обеспечение нейтронных видов каротажа. Данные об элементном составе горных пород могут использоваться для петрофизического обеспечения нейтронных методов радиоактивного каротажа. Так, например, содержание нейтронопоглощающих элементов позволяет определять нейтронный параметр (среднее время жизни тепловых нейтронов) для скелета породы () и насыщающих флюидов (). Параметр - важнейший интерпретационный параметр ИННК при подсчете коэффициентов пористости и нефтенасыщенности. Из-за отсутствия в настоящее время технических средств для массовых петрофизических определений  на образцах, этот параметр рассчитывают по данным химического или спектрального анализа горных пород. При этом возможен неучет какого-либо микроэлемента, обладающего аномально высоким значением сечения захвата тепловых нейтронов, например бора, кадмия, гадолиния и др. Поскольку с помощью НРА определяются именно нейтронопоглощающие элементы, и тем точнее, чем большим сечением захвата нейтронов они обладают, значительно повышается точность измерения данного параметра по результатам элементного анализа. Для иллюстрации в таблице приведены величины , рассчитанные для некоторых пород различных месторождений с учетом и без учета содержаний сильнопоглощающих нейтроны микроэлементов. По результатам видно, что даже в песчаниках, характеризуемых сравнительно низкими содержаниями микроэлементов, неучет их присутствия приводит к завышению величины  в два и более раза.

В настоящее время методом НРА изучен элементный состав и величина  более тысячи образцов пород нефтяных месторождений Татарии, Западной Сибири и Казахстана. Показано, что в терригенных породах суммарный вклад в величину  таких микроэлементов, как бор, самарий и гадолиний, может достигать 60 %. Получены «граничные» значения этого параметра, позволяющие разделять породы на коллекторы и неколлекторы (рис. 3), оценены вариации  в пределах каждой литологической разности.

Анализ содержания нейтронопоглощающих элементов в пластовых водах Урьевского и Покачевского месторождений показал, что в них обнаружены водород (около 10 %), хлор (1,2-1,5%), натрий (0,3-1,1%) и бор (1-2,5)*10^-3 %. Следовательно, здесь вариации величин  в основном определяются минерализацией вод.

Выбор критериев для установления по макро- и микроэлементам связей в системе ОВ - порода - поровые флюиды находится в настоящее время в стадии разработки. Развитие этого направления сдерживалось ограниченным объемом определений валовых концентраций информативных элементов.

Применение методов ЯФА значительно расширяет возможности получения на ранних стадиях геологоразведочного процесса полезной геологической, геохимической и геофизической информации из первичного материала. Это обусловлено экспрессностью методов, наличием станций элементного анализа, а также возможностью использования в качестве источника непрерывной информации не только керна, но и шлама.

Приведенные в статье результаты показывают широкие возможности использования элементного анализа в геологоразведочных работах. С его помощью с наименьшими затратами получают обширную информацию и представляют ее в виде модели геологического объекта. Это позволит сосредоточивать поисково-разведочные работы на более продуктивных площадях и повысить их эффективность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валиев Ю.Я. Геохимия бора в юрских отложениях Гиссарского хребта.- М.: Наука, 1977.

2. Плюснин И.М., Семенович В.В., Шимелевич Ю.С. Перспективы применения экспрессных ядерно-физических методов в нефтегазоносных бассейнах // Советская геология.- 1986.- № 1.-С. 31-34.

3. Применение нейтронно-радиационного метода для определения элементного состава и нейтронных свойств пород баженовской свиты / Б.В. Вашакидзе, Е.Н. Волков, В.И. Гума и др. // Изотопы в СССР.- 1984.- № 1 (67).- С. 56-69.

Таблица

Порода	Величина , мкс
	Силикатный анализ	НРА
Битуминозный аргиллит	670	203
Глина известковистая небитуминозная	812	102
Известняк доломитовый	692	616
Известняк доломитистый	864	790
Песчаник известковистый	528,5	378
Песчаники кварцевые	772	382
Песчаники полевошпатово-кварцевые	453	202

Рис. 1. Литологическая колонка, построенная по данным элементного состава пород тюменской свиты скв. 2868 Талинской:

1 - Si O₂ кварцевая, 2 - А1₂О₃+SiO₂ глинистая, 3 - Fe₂O₃+FeCO₃, 4 - OB+конституционная вода, 5 - соединения магния

Рис. 2. Дифференциация сеноманских отложений по микроэлементному составу в скв. 50 Харасавэйской:

1 - концентрация элемента, %; 2-фоновое содержание элемента; П₂, П₄, П₅ - прослои, выделенные по микроэлементам

Рис. 3. Кривые зависимости отношения Si/Al, концентрации бора (В) и величины нейтронного параметра () от параметров ФЕС в отложениях типа «рябчик» пласта АВ₁^1-2 Самотлорского месторождения:

1 - Si/Al; 2 - концентрации бора. n*10^-4 %; 3 - параметр , мкс