CC BY
26
УДК 550:552.52(571.1)
Е.С. Казак1, Н.А. Харитонова2, А.В. Казак3
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ И МАКРОКОМПОНЕНТЫЙ СОСТАВ ПОРОВЫХ ВОД ПОРОД БАЖЕНОВСКОЙ, АЧИМОВСКОЙ И ГЕОРГИЕВСКОЙ СВИТ (ПО ДАННЫМ ВОДНЫХ ВЫТЯЖЕК)4
Впервые представлены данные о минерализации и солевом составе поровых вод слабопроницаемых сланцевых пород баженовской, ачимовской и георгиевской свит, полученные методом водных вытяжек из экстрагированных и неэкстрагированных образцов. Проведены термодинамические расчеты равновесия полученных растворов с рядом минералов и выполнен корреляционный анализ соотношений Na/Cl, Ca/SO4, Mg/SO4, Ca/Cl, Ca/HCO3, Fe/SO4. Установлено, что концентрации таких макрокомпонентов, как кальций, магний, железо, гидрокарбонат-ион и сульфат-ион в поровых растворах нельзя определить с использованием метода водных вытяжек, однако достаточно достоверно можно оценить условную минерализацию поровых вод. Показана необходимость использовать неэкстрагированные образцы керна с максимально сохраненной остаточной водонасыщенностью для изучения состава поровых вод слабопроницаемых сланцевых пород.
Ключевые слова: баженовская свита, ачимовская свита, георгиевская свита, поровые воды, водные вытяжки, остаточное водосодержание.
The paper presents for the first time a reliable dataset on formation water salinity and salt composition for tight shale formations of Bazhenov, Achimov and Georgiev suites. The data were obtained in the result of laboratory analysis of aqueous extracts from rock samples before and after its hydrocarbon extraction (cleaning). Based on the experimental data a thermody-namic modeling of solution-mineral equilibrium was performed followed by Na/Cl, Ca/SO4, Mg/SO4, Ca/Cl, Ca/HCO3, Fe/SO4 correlation analysis. The results shown that concentrations of certain macro-components, including Ca, Mg, Fe, hydrocarbonate and sulfate ion in pore solutions cannot be reliably determined using aqueous extract data. At the same time a reliable estimate nominal salinity of formation water could be provided using the obtained data. The paper concludes that a reliable study of macro-components' chemical composition in formation waters of tight shale formations requires laboratory analysis of non-extracted rock core samples with maximal preservation of water content.
Key words: formation pore water, aqueous extract, residual water saturation, Bazhenov formation, Achimov formation, Georgiev formation.
Введение. Баженовская свита (БС) распространена на площади более 1 млн км2 практически на всей территории Западной Сибири, на глубине около 2—3 км. Ее мощность обычно составляет 15—30 м, иногда достигает 60 м. По данным агентства «Energy Information Administration» (EIA, США), БС обладает наибольшим в мире объемом технически извлекаемых ресурсов нефти. Соответственно, исследования, направленные на повышение эффективности использования ее огромного потенциала, весьма актуальны.
Поскольку при разработке пород баженовской свиты нигде в скважинах не встречена водонасы-щенная или водонефтяная зона пласта, в течение длительного промежутка времени преобладала точка зрения, что породы БС (до 80%) гидрофобны [Nesterov, 2009], а если эти породы содержат воду,
то только связанную [Дорофеева и др., 1983; Ки-реева, Казак, 2017; Силич, 1985]. Однако недавние исследования показали, что наряду со связанной водой образцы керна содержат и свободную воду в поровом пространстве [Kazak et al., 2017; Казак и др., 2017]. При этом количество остаточной по-ровой воды, т.е. свободной, и части физически связанной, находящийся в поровом пространстве породы и снижающей ее проницаемость для нефти, составляет 0,42—3,65 масс.% [Казак и др., 2017]. Опубликованных данных о минерализации и составе поровой воды практически нет, за исключением работ [Kazak et al., 2017; Казак и др., 2017; Казак и др., 2016; Силич, 1985].
Условный зарубежный аналог БС — черные сланцы формации Баккен, содержащие пластовую воду с минерализацией 30—350 г/л [Thyne, Brady,
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, науч. с., канд. геол.-минерал. н.; e-mail: Kanigu@mail.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, докт. геол.-минерал. н., кафедра гидрогеологии, профессор, гл. науч. с.; e-mail: tchenat@mail.ru
3 Сколковский институт науки и технологий, вед. науч. с., канд. физ.-мат. н.; e-mail: A.Kazak@skoltech.ru
4 Исследование выполнено при поддержки гранта РНФ (проект № 17-77-20120).
2016], в химическом составе которой преобладают ионы натрия и хлора, также присутствует некоторое количество калия, кальция и магния, бикарбоната и сульфата, небольшое количество железа, бария, бора и стронция. При этом наряду с хлоридными натриевыми водами в формации Баккен присутствуют и воды сульфатно-натриевого состава.
Основная цель работы — исследование минерализации и солевого состава поровых вод слабопроницаемых сланцевых пород баженов-ской, ачимовской и георгиевской свит. Учитывая затруднения с выделением реального порового раствора, основным методом, применяемым для выполнения исследований, был метод водных вытяжек. Кроме того, изучено влияние экстракции толуолом на качество и достоверность оценки макрокомпонентного состава поровых вод.
Материалы и методы исследований. Минерализация и макрокомпонентный состав поровых вод исследованы на представительной коллекции образцов керна (18 образцов), 15 из них принадлежат баженовской свите Южного и Вынгаяхинского месторождений; 2 — ачимовской (1дв, 2дв) и один — георгиевской свите (13дв) Южного месторождения. Интервал отбора проб составлял в среднем 10 м.
Результаты исследования поровых вод существенно зависят от корректности отбора и упаковки образцов керна, а также от условий их транспортировки и хранения. Чтобы минимизировать ошибки при аналитических исследованиях, после вскрытия герметизированных стеклопластико-вых метровых сегментов керноприемной трубы с керном для лучшего сохранения начальной водо-насыщенности отобранные образцы керна сразу плотно заворачивали в полиэтиленовую пленку и парафинировали (рис. 1). Породу отбирали из центральной части образца, что практически исключало использование загрязненной буровым раствором пробы, затем быстро измельчали и незамедлительно анализировали в день вскрытия парафиновой оболочки (рис. 1). В ходе исследований не учитывались возможные потери пластовой
воды в процессе бурения, отбора и подъема керна на поверхность, поскольку их считали несущественными. Для изготовления и отбора образцов жидкости не применяли.
Известно, что химический состав порового раствора пород БС главным образом регулируется условиями формирования материнской породы и степенью ее постдиагенетических изменений. В мировой практике состав и минерализацию по-ровой воды сланцевых пород стараются определять путем прямого анализа состава непосредственно выделенного порового раствора. При невозможности его прямого выделения используют методы увлажненных паст или метод водной вытяжки [Fernández et al., 2014; Sacchi et al., 2001].
При лабораторных исследованиях низкопроницаемых нефтематеринских сланцевых пород БС неизбежно возникают трудности, которые связаны со сложностью прямого отжима поровых растворов. Поэтому нами для оценки минерализации и состава поровых вод был выбран косвенный метод водных вытяжек, модифицированный с учетом особенностей отложений БС.
Водная вытяжка — наиболее старый, но все еще актуальный метод исследования грунтов и горных пород, впервые описанный в России в 1788 г. И.М. Комовым. Водная вытяжка представляет собой извлечение из породы поровых растворов, простых (преимущественно легкорастворимых) солей методом водного экстрагирования при массовом соотношении дистиллированная вода:порода = 5:1 [Аринушкина, 1970]. Действие воды на породу состоит в разбавлении порового раствора, растворении простых солей, частично органических веществ и кремнекислых соединений, разложении сложных силикатов, а также в растворении поровых растворов. Соответственно, при анализе водной вытяжки, приготовленной при определенном соотношении количества воды и породы, а также времени их взаимодействия, можно получить представление о минерализации и составе поровых растворов.
Рис. 1. Исследуемый образец керна баженовской свиты: а — вскрытие парафиновой оболочки; б, в — вскрытый полноразмерный образец керна
Несмотря на то что метод водных вытяжек достаточно распространен и существует много работ, посвященных изучению поровых растворов в почвах, морских грунтах и кернах пород, для пород БС таких исследований явно недостаточно [Ка2ак й а1., 2017; Казак и др., 2017; Казак и др., 2017].
Водные вытяжки выполнялись из неэкстра-гированных пород естественной влажности и из пород после экстракции толуолом по стандартной методике определения водонасыщенности на аппарате Дина—Старка при соотношении вода:порода, равном 3:1. Время взаимодействия при взбалтывании не превышало 3 мин. В ходе экстракции толуолом из порового пространства образца удаляются все жидкие компоненты, и в ловушку поступает только обессоленная вода, а растворенные в ней соли, по данным [Котяхов, 1976], остаются и концентрируются в поровом пространстве породы. Принимая это во внимание, интересно было изучить минерализацию и состав поровых вод как из экстрагированных, так и из неэкстрагированных образцов пород.
При приготовлении водных вытяжек использовали дистиллированную воду, не содержащую углекислого газа, так как в его присутствии растворяются карбонаты кальция и магния в ходе образования растворимых бикарбонатов. Бикарбонаты увеличивают минерализацию и общую щелочность водной вытяжки, что искажает результаты анализа.
В полученной суспензии с помощью рН-метра «ЭКСПЕРТ-001» измеряли рН раствора (погрешность измерения составляет ±0,02 рН). В отфильтрованных растворах водных вытяжек методами объемного титрования определяли содержание гидрокарбонат-иона (±8 отн.%), катионов кальция и магния (±5 отн.%), хлор-иона (±3 отн.%). Определение содержания сульфат-иона и катиона железа
(±15 отн.%) выполняли спектрофотометрически. Концентрацию катионов натрия (до 15 отн.%) и калия (до 15 отн.%) определяли методом пламенной фотометрии.
Результаты исследований и их обсуждение. В табл. 1 приведены результаты анализа макроком-понентного состава исследуемых водных фаз растворов. Состав вод также представлен на тройной диаграмме Пайпера (рис. 2—4). В большинстве проб превалирует катион натрия, однако его концентрация варьирует от 10 до 422 мг/л. Содержание калия, кальция и магния также сильно изменяется и, вероятно, регулируется минеральным составом водовмещающих пород (табл. 2). Калий, видимо, поступает в воды либо в результате обменных процессов в глинистых минералах, либо при растворении К-содержащих плагиоклазов. Наиболее возможным поставщиком кальция и магния пред-
600,0
480,0
360,0
240,0
120,0
0,0
♦
л •
о
у" в
я (1
О 1 • 2
* 3 В 4 Я 5 □ 6
О 7
♦ «
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 Минерализация, г/л
2,0
Рис. 3. Корреляционные соотношения между содержанием в растворах катиона натрия и минерализацией. Условные обозначения см. на рис. 2
Рис. 2. Тройная диаграмма Пайпера химического состава исследуемых проб водных вытяжек. Номера проб соотвествуют данным в табл. 1: 1 — пробы 3 дв—11 дв; 2 — 3 дв_э—11 дв_э; 3 — 1 дв, 2 дв; 4 — 1 дв_э, 2 дв_э; 5 — 12 дв, 13 дв; 6 — 12 дв_э, 13 дв_э; 7 — 1 п—5п; 8 — 1 п_э—5п_э
Рис. 4. Соотношение индекса насыщения пирита и концентрации сульфат-иона в растворах. Условные обозначения см. на рис. 2
ставляются карбонатные фракции (карбонат и доломит), которые составляют около 20 масс.% породы.
В растворах водных вытяжек из пород ачимов-ской свиты концентрация К+ достаточно высокая и варьирует от 8,5 до 18 мг/л, в то время как Са2+ и Mg2+ практически отсутствуют. Этот результат обусловлен минеральным составом водовмещающих пород — диагностировано практически полное отсутствие карбонатных минералов и преобладание
глинистой фракции, представленной в основном иллитом и смешанослойными образованиями.
В растворах водных вытяжек из пород баже-новской свиты содержание К+ более стабильное и составляет 3,0—8,0 мг/л, однако по количеству кальция и магния воды сильно различаются.
В растворах водных вытяжек из пород георгиевской свиты значения концентрации Са2+, Mg2+ и К+ в образцах варьируют и регулируются
Таблица 1
Состав водных вытяжек, полученных при исследованиях
Номер Химический тип Тип Свита Минерализация, г/л рН К+ Са2+ Mg2+ Реобщ С1- S042- НС03- N0^ Si02 I
образца воды пробы мг/л
Месторождение Южное
1 дв №-НС03^04 ВВ 5 к 0,36 9,9 15,00 91,3 2,00 0,0 0,00 3,54 65 183,0 0 - 0,0057
1 дв-э №-НС03^04 ВВ-Э с « о 0,33 9,2 14,50 81,72 3,00 1,2 0,08 3,54 95 128,1 0 - 0,0053
2 дв №-НС03^04 ВВ а 0,42 10,0 18,00 125,68 4,00 2,4 0,76 3,54 80 183,0 - 0,0070
2 дв-э №-НС03^04 ВВ-Э 0,31 9,5 8,50 89,94 2,00 1,2 0,00 5,31 56 140,3 7,4 - 0,0051
3 дв Ш-Са^04 ВВ 0,64 7,9 22,50 143,13 38,00 1,2 0,00 3,54 360 73,2 16 0,0126
3 дв-э Са-Ш^04 ВВ-Э 1,21 7,4 13,00 108,15 200,00 28,8 0,04 19,47 705 134,2 1,8 - 0,0244
4 дв №^04-НС03 ВВ 0,65 9,0 8,00 207,65 26,00 0,0 0,00 3,54 232 170,8 10 0,0117
4 дв-э ВВ-Э 0,85 8,2 7,50 199,16 40,00 10,8 0,20 5,31 460 122,0 1,8 - 0,0164
5 дв №-НС03^04 ВВ 0,18 9,1 8,00 54,45 0,00 3,6 0,12 3,54 36 73,2 6,5 0,0030
5 дв-э №-НС03^04 ВВ-Э 1,24 8,3 14,50 421,88 0,00 13,2 0,20 19,47 330 439,2 - 0,0205
6 дв Ш-Са-Щ^04-НС03 ВВ 0,18 9,5 6,50 21,23 12,00 6,0 0,74 5,31 71 36,6 16 0,0033
6 дв-э Са-Ш^04-НС03 ВВ-Э 0,3 8,9 7,00 35,26 36,00 9,6 0,08 14,16 140 61,0 - 0,0064
7 дв ВВ с га о 0,44 8,8 6,00 128,15 2,00 2,4 0,22 3,54 237 61,0 1 0,0085
7 дв-э ВВ-Э н й 0,3 8,0 3,50 78,83 2,00 6,0 0,00 7,08 148 48,8 2,1 - 0,0058
8 дв Ш-НС03^04 ВВ м 0,22 9,2 3,00 61,1 0,00 4,8 0,00 1,77 40 109,8 3,1 37 0,0037
8 дв-э Mg-Na-S04-HC03 ВВ-Э 0,18 7,6 4,00 29,14 0,00 16,2 0,10 8,85 90 36,6 - 0,0040
9 дв Ш^04-НС03 ВВ 0,25 9,0 5,50 56,3 6,00 4,8 0,21 3,54 96 73,2 2 0,0045
9 дв-э Ш-Са^04 ВВ-Э 0,36 7,7 3,50 83,65 24,00 0,0 0,16 7,08 192 42,7 - 0,0071
10 дв Mg-Ca-Na-S04 ВВ 0,15 6,3 6,50 10,68 12,00 10,8 0,04 5,31 76 24,4 16 0,0034
10 дв-э Mg-Na-S04-HC03 ВВ-Э 0,29 6,4 6,50 33,42 0,00 37,2 1,34 21,24 110 79,3 - 0,0065
11 дв НС03 ВВ 0,17 8,7 4,00 36,93 2,00 6,0 0,00 4,43 76 36,0 16 0,0033
11 дв-э Ш^04-НС03 ВВ-Э 0,23 7,4 2,00 61,43 0,00 6,0 0,05 19,47 90 48,8 - 0,0043
12 дв Ш-НС03^04 ВВ к 0,29 10,0 4,50 81,46 3,00 1,8 0,49 3,54 52 146,4 9 0,0048
12 дв-э Ш-НС03^04 ВВ-Э с га е в л о 0,25 9,2 1,00 76,33 0,00 2,4 0,21 19,47 44 97,6 5,5 - 0,0041
13 дв Ш-Щ-НС03^04 ВВ 0,27 9,7 13,00 45,37 14,00 10,2 0,12 7,08 51 134,2 - 0,0047
13 дв-э Mg-Na-S04-HC03 ВВ-Э е 1-1 0,31 9,1 10,00 34,33 2,00 35,4 0,10 14,16 125 85,4 - 0,0067
Месторождение Вынгаяхинское
1 п №-НС03 ВВ 0,41 10,0 3,50 131,66 2,00 2,4 0,05 38,94 20 207,0 0 - 0,0064
1 пэ Ш^04-НС03-С1 ВВ-Э 0,38 8,6 2,00 95,58 16,00 3,6 0,35 42,48 120 97,6 1,6 - 0,0069
2 п ш-а ВВ 1,35 8,8 34,00 436,51 32,00 6,0 0,07 676,14 41 122,0 - 0,0232
2 пэ ш-а ВВ-Э 1 1,53 8,5 31,00 516,49 14,00 12,0 0,09 775,26 28 146,4 4,5 - 0,0261
3 п ш-а-нс03 ВВ с га о 0,45 9,5 10,00 147,95 2,00 1,2 0,00 141,6 14 134,2 0 - 0,0071
3 п-э Na-а-HC03 ВВ-Э н й 0,45 8,6 20,50 136,92 2,00 2,4 0,25 173,46 11 97,6 3,9 - 0,0072
4 п Na-HC03-C1 ВВ м 0,54 9,8 7,00 183,58 2,00 6,0 0,18 120,36 1 222,7 0 - 0,0086
4 п-э Na-a-HC03 ВВ-Э 0,32 9,4 6,50 84,3 2,00 9,6 0,00 77,88 9 128,1 3,4 - 0,0053
5 п Na-a ВВ 0,51 9,2 10,50 169,84 4,00 4,8 0,17 253,11 15 48,8 - 0,0087
5 п-э Na-a ВВ-Э 0,72 8,2 32,00 223,06 4,00 4,8 0,13 304,44 14 134,2 2,1 - 0,0116
Примечания: ВВ — водная вытяжка из неэкстрагированного образца породы, ВВ-Э — водная вытяжка из экстрагированного толуолом образца породы, I — ионная сила раствора.
Таблица 2
Минерально-компонентный состав пород баженовской, ачимовской и георгиевской свит, масс.%
Номер образца Sme д 2 C o о Z а Е л F ТЗ C "о Q S P
Месторождение Южное
1дв 3 15 9 - 1 49 17 - - - - 6 -
2дв 5 15 8 7 - 42 13 6 1 - - - 3
3дв 8 17 7 - 1 32 15 - 1 - - 6 13
5дв 1 6 - 3 1 16 3 - 59 5 - 3 3
4дв 15 17 5 2 1 31 13 - - - - 4 12
6дв 1 2 2 - 1 18 2 - 67 - - 1 6
7дв 5 7 3 4 - 45 12 3 - - - 7 14
8дв - 3 - 2 - 83 6 - - - - - 6
9дв 5 2 2 3 - 71 5 1 - 2 - - 7
10дв 1 3 1 1 - 86 4 4
11дв 2 9 0 1 - 73 11 - 3 - 1 - -
12дв 9 9 1 1 - 65 8 2 - - - - 5
13дв 1 1 - 1 1 2 3 - - 51 - - 40
Месторождение Вынгаяхинское
1п 5 5 2 2 - 41 - 8 28 - - - 9
2п 2 8 10 3 - 40 13 21 - - 3 - -
3п 8 9 - 2 1 54 2 14 - 5 - - 5
4п 2 6 1 - - 59 4 9 7 7 - - 5
5п 8 24 3 - - 58 - 6 - - - - 1
Примечания. Sme — смешаннослойные минералы; Il — гидрослюды; Chl — хлорит; Ка — каолинит; Zeo — цеолиты; Q — кварц; Pl — плагиоклаз; Fsp — калиевый полевой шпат; Cal — кальцит; Dol — доломит; Sd — сидерит; Ap — апатит; Py — пирит. Прочерк — не обнаружено.
минеральным составом породы. При незначительном содержании карбонатов в водах фиксируются низкие значения концентрации Ca2+ и Mg2+.
По анионному составу практически все растворы водных вытяжек, за исключением Вы-хгаяхинского месторождения, гидрокарбонатно-сульфатные (рис. 1) с минимальным количеством хлор-иона, которое не превышает 7 мг/л для неэкстрагированных пород и 21 мг/л для экстрагированных. Растворы водных вытяжек из пород Вынгаяхинского месторождения относятся к чисто хлоридным водам, в некоторых образцах концентрация Cl- достигает 676 мг/л.
Содержание железа (Реобщ) во всех пробах низкое, обычно составляет 0,1-0,5 мг/л, в двух образцах его количество достигает 0,7 мг/л и в одном — 1,34 мг/л.
Все растворы водных вытяжек низкоминерализованные, расчетные величины TDS составляют 0,15-0,65 г/л. Только в двух пробах водных вытяжек, приготовленных из экстрагированных образцов пород, обнаружена повышенная минера-
лизация, которая составляет 1,21—1,24 г/л. Между значениями минерализации и содержанием натрия установлена прямая зависимость с коэффициентом корреляции 0,95.
Все исследованные растворы водных вытяжек щелочные, рН в пробах варьирует, но находится в диапазоне значений 7,89—10,02. Характерно снижение значений рН в водных вытяжках из экстрагированных образцов пород. Так, измеренные значения рН водных вытяжек из неэкстрагированных пород из скважины на Вынгаяхинском месторождении составляют 8,84—9,96, а после экстракции немного понижаются до 8,24—9,43, для скважины Южного месторождения — 7,89—10,02 и 6,35—9,23 соответственно. Однозначно определить точные значения рН поровых вод пород БС на основе данных рН водных вытяжек нельзя, но, скорее всего, они попадут в слабощелочную область шкалы рН.
Полученные результаты показывают, что состав водных вытяжек из пород до и после экстракции существенно отличается, при этом какая-либо закономерность не выявлена (рис. 5, 6). 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 остается прежней в пределах ошибки определения.
Изменение содержания сульфат-иона и железа в водных вытяжках с глубиной повторяет характер изменения концентрации пирита в водовмещающих толщах, что, вероятно, свидетельствует о том, что именно пирит может быть одним из их источников.
Полагая, что полученные данные о химическом составе вод соответствуют составу поровых вод, которые находятся в равновесии с водовме-щающими породами, мы рассчитали индексы насыщения основных породообразующих минералов. В результате расчета индексов насыщения (ИН) пирита выявлена сильная недонасыщенность раствора по отношению к этому минералу. ИНпирита лежит в диапазоне от — 150,5 до —81,8. Установлена хорошая корреляция между индексом насыщения пирита и содержанием в пробе сульфат-иона, в то время как зависимость между Feобщ и 8042- выявить не удалось. Вероятно, происходит активное удаление железа из раствора в результате осаждения его в виде окисидов (гидрооксидов). Все воды пересыщены по отношению к этим минералам.
Содержание хлора в составе водных вытяжек увеличивается в большинстве проб после экстракции, а содержание натрия, напротив, в большинстве проб снижается. Таким образом, корреляционные зависимости между содержанием хлор-иона и катиона натрия для всех проб не установлены, однако внутри отдельных групп выявлены требующие повышенного внимания соотношения № и С1. Для поровых вод Вынгаяхинского месторождения наблюдается практически прямая корреля-
Рис. 5. Изменение состава водных вытяжек из образцов пород с экстракцией и без по разрезу скважины Вынгаяхинского месторождения
ция (коэффициент корреляции равен 0,97), в то время как для проб неэкстрагированных пород из баженовской свиты Южного месторождения наблюдается обратная корреляция. В поровых водах ачимовской и георгиевский свит зависимость между натрием и хлором не установлена.
Расчетные значения индекса насыщения (ИН) галитом показывают, что все исследуемые растворы сильно им недонасыщены, ИНгалита расположен в области значений от —9,0 до —5,0. Сопоставление содержания хлор-иона в пробах с ИНгалита для проб БС из Вынгаяхинского месторождения выявляет отчетливую прямую корреляционную зависимост с коэффициентом корреляции 0,9, однако для остальных образцов эта закономерность не подтверждена.
Полученные растворы водных вытяжек неравновесны практически со всеми основными порообразующими минералами (табл. 2): ИНР1 варьирует от —4,2 до —2,3, ИНР8р — от —3,8 до —0,5, ИНП — от —3,9 до —0,3, ИНСЫ лежит в диапазоне значений —5,4^0,9, ИНКа — от —2,7 до 4,9, ИН8а — от —6,5 до —0,9. По отношению к доломиту ИН изменяется от пробы к пробе: некоторые воды резко недосыщены к доломиту (ИНМ лежит в области отрицательных значений —5,4^—3,5), однако в других пробах обнаруживается незначительное пересыщение этим минералом (1,2—2,4). Все пробы находятся в равновесии с кварцем, И^ составляет —0,12^0,47.
Выявленные совершенно разные пилообразные зависимости изменения значений концентрации компонентов в водных вытяжках с глубиной в случае использования экстрагированных и неэкстрагированных образцов пород могут быть связаны, на наш взгляд, как с неоднородностью состава отложений БС, так и с их привносом в раствор водной вытяжки из матрицы экстрагированной породы. Известно, что после экстракции увеличивается удельная площадь поверхности минералов [Котяхов, 1976]. Более того, в ходе выполнения анализа по методу водных вытяжек с момента растворения простых солей на породу действует уже не водный, а более сложный раствор (солевой, щелочной и пр.), в результате чего может повышаться растворимость малорастворимых солей и происходят реакции взаимного обмена между катионами вытяжки и катионами поглощающего комплекса породы, создается возможность растворения полуторных окисидов и др. В любом случае при дальнейшем применении метода водных вытяжек для оценки минерализации и состава поровых вод рекомендуется использовать неэкстрагированные образцы керна.
В соответствии с полученными экспериментальными результатами и данными корреляционного анализа, а также на основании данных, представленных в работах [Fernández et al., 2014; Крюков, 1971], достоверно говорить о содержании в поровых водах гидрокарбонат-иона, сульфат-иона, катионов кальция, магния и железа по данным
состава водных вытяжек не корректно. Значения же концентрации натрия и хлора в растворах водных вытяжек или только хлора могут быть очень близки к их содержанию в поровых водах пород с учетом коэффициента разбавления.
Известно, что в химическом составе вод глубинных горизонтов обычно значительно превалируют хлориды и натрий, кроме того, преобладание натрия, калия и хлора выявлено в ходе непосредственного анализа подземных вод ачи-мовской и георгиевской свит Южного месторождения (рис. 7). Поэтому были оценены величины так называемой условной минерализации поровых вод (сумма ионов натрия и хлора [№++С1-]) в растворах водных вытяжек с учетом разбавления поровых вод дистиллированной водой. На рис. 8 представлено изменение содержания [№++С1-] по разрезу скважины для поровых вод экстрагированных и неэкстрагированных образцов, полученных по данным водных вытяжек, приготовленных при соотношении дистиллированная вода:порода = 3:1.
На рис. 8 видно, что содержание [№++С1-] скачкообразно изменяется с глубиной, при этом сходимость в пределах ошибки для большинства образцов с и без экстракции не получена. В целом для Южного месторождения содержание [№++С1-] в поровых водах неэкстрагированных образцов БС изменяется от 12,49 до 64,69 г/л, экстрагированных — в диапазоне 15,99—179,69 г/л, для Вынгаяхинского месторождения — 22,2—111,17 г/л и 9,63—106,35 г/л соответственно.
На рис. 8 также представлен график изменения концентрации [№++С1-] поровых вод, которые получены методом водных вытяжек, приготовленных при соотношении вода:порода = 5:1, график построен по данным [Казак и др., 2017]. Видно, что практически для всех исследованных образцов получены более низкие значения [№++С1-] при большем разбавлении поровой воды (т.е. при соотношении вода:порода = 5:1). В соответствии с этим при дальнейших исследованиях состава поровых вод методом водных вытяжек при их приготовлении надо стремиться к снижению соотношения вода:порода для минимизации ошибки разбавления низкого объема поровых растворов.
Выявленная изменчивость состава поровых вод БС может быть связана с широким шагом отбора образцов керна, а также с известной неоднородностью химико-минералогического состава отложений даже в пределах одной скважины. Скачкообразные изменения состава поровых растворов осадочных пород с глубиной отмечены на основании многочисленных аналитических определений в работах [Закс, Бурмистрова, 1956; Затенецкая, 1974; Крюков, 1971]. Кроме того, в тех же работах обращено внимание на то, что состав поровых вод часто отличается от состава свободной пластовой воды из тех же отложений в силу низкого содержания, слабой мобильности и часто большего времени взаимодействия с породой.
Рис. 6. Изменение состава водных вытяжек из образцов пород с экстракцией и без по разрезу скважины Южного месторождения
а
[№+К]+
Са
2+
Мё
2+
О о
Ре
общ
нсо
о 1 2 о 1 2
__ ига
о 1
[№+КГ Са2+ Реобщ
0 Подземные воды (1 проба из 1 скв)
.2+
0 Подземные воды (среднее по 14 пробам из 10 скважин)
8 Поровые воды по данным водной вытяжки из неэкстрагированной породы (13 дв)
0 Поровые воды по данным водной вытяжки из пород после экстракции (13 дв)
® Поровые воды по данным водной вытяжки из неэкстрагированных пород (среднее по обр. 1дв и 2 дв)
0 Поровые воды по данным водной вытяжки из пород после экстракции (среднее по обр. 1дв и 2 дв)
Рис. 7. Сопоставление состава (%-экв) подземных вод (построено по результатам [Казак и др., 2017]) и поровых вод по данным водных вытяжек из экстрагированных и неэкстрагированных образцов для Южного месторождения: а — из георгиевской свиты; б — из ачимовской свиты
Рис. 8. Соотношения концентрации [№++С1 ] в поровых водах, полученные при пересчете из состава водных вытяжек, приготовленных при соотношениях вода:порода = 5:1 и 3:1 из экстрагированных и неэкстрагированных образцов пород соответственно
Нами также выявлен различный состав поро-вых и подземных вод для отложений георгиевской и ачимовской свит Южного месторождения, сопоставление их состава представлено на гистограммах (рис. 7). Приток подземных вод был получен на месторождении Южное из скважин за пределами исследуемой площади из ачимовской (1 проба из 1 скважины) и георгиевской свит (14 проб из 10 скважин) [Казак и др., 2017]. Подземные воды георгиевской и ачимовской свит по составу хлоридные натриевые, при этом практически не
содержат сульфат-ионов (рис. 7), суммарная минерализация составляет в среднем 34,25 и 17,83 г/л соответственно [Казак и др., 2017].
В составе поровых вод по данным водных вытяжек, приготовленных как из экстрагированных, так и из неэкстрагированных образцов пород, появляется сульфат-ион, резко возрастает количество гидрокарбонат-иона, а также кальция и магния. Природа поведения концентрации этих компонентов в растворах водных вытяжек описана выше.
Рассмотрим соотношение содержания [Na++Cl—]. Так, установлено, что концентрация [Na++Cl—] в усредненных пробах подземных вод составляет 32,62 г/л для георгиевской свиты и 1l,19 г/л для ачимовской, в то время как в поровых растворах по данным водных вытяжек она равна 30,1l (образец 12 дв), 68,32 (образец 13 дв) и 11,44 г/л (образец 1 дв) для неэкстрагированных образцов пород и 34,25 (образец 12 дв), 81,13 (образец 13 дв) и 14,35 г/л (образец 1 дв) г/л для экстрагированных. Таким образом, содержание [Na++Cl—] в поровых и подземных водах не совпадает в пределах ошибки определения (±15%) для георгиевской свиты только для образца 13 дв.
Выводы. 1. Несмотря на то что состав растворов, полученных с помощью водных вытяжек, не полностью идентичен составу естественного порового раствора, с его помощью можно максимально близко к реальным условиям оценить его минерализацию и макрокомпонентный состав при невозможности выделить поровые воды из пород баженовской, ачимовской и георгиевских свит из-за их низкой проницаемости и малого водосодержания.
2. Сопоставление результатов, полученных методом водной вытяжки из неэкстрагированных и экстрагированных образцов пород, позволяет утверждать, что в последнем случае получаются завышенные значения концентрации натрия и хлора в поровых растворах большинства исследованных образцов. По экспериментальным данным [Fernández, Sánchez-Ledesma et al., 2014; Крюков, 19l1], концентрация хлора, полученная в ходе пересчета из
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 19l0. 252 с.
Дорофеева Т.В., Краснов С.Г., Лебедев В.А. и др. Коллекторы нефти баженовской свиты Западной Сибири. М.: Недра, 1983. 131 с.
Закс С.Л., Бурмистрова В.Ф. К вопросу исследования состава и свойств связанной воды в нефтяных коллекторах // Тр. Института нефти. М.: Изд-во АН СССР, 1956. Т. VII. С. 222—235.
Затенецкая Н.П. Поровые воды осадочных пород. М.: Наука, 19l4. 158 с.
Казак Е.С., Богданович Н.Н., Казак А.В. и др. Оценка содержания остаточной поровой воды и анализ состава водных вытяжек пород баженовской свиты Западной Сибири // Нефтяное хоз-во. 201l. Т. 4. С. 48—52.
Казак Е.С., Казак А.В., Богданович Н.Н. Форма и состав поровой воды пород баженовской свиты по результатам лабораторных исследований // Тез. 18-й науч.-практ. конф. по вопросам геологоразведки и разработки месторождений нефти и газа «EAGE-Геомодель 2016» (12—15 сентября). Геленджик, 2016.
Казак Е.С., Киреева Т.А., Казак А.В., Богданович Н.Н. Ионно-солевой комплекс пород баженовской свиты Западной Сибири // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 201l. № 4. С. 68—l5.
Киреева Т.А., Казак Е.С. Поровые растворы пород баженовской свиты Западной Сибири и их изменение в результате гидротермальной проработки // Геология нефти и газа. 201l. № 1. С. ll—89.
водной вытяжки с учетом количества поровых вод, практически идентична таковой в реальных поровых растворах. Соответственно, точность определения количества хлор-иона в водной вытяжке напрямую определяет его достоверное содержание в поровом растворе. Принимая это во внимание, для дальнейших исследований состава поровых растворов методом водных вытяжек следует использовать неэкстрагированные образцы керна с максимально сохраненным естественным водосодержанием.
3. В ходе расчетов и корреляционного анализа установлено, что содержание катионов кальция, магния, железа, сульфат-иона, гидрокарбонат-иона в составах водных вытяжек как из образцов с экстракцией, так и без нее, связано с их поступлением из пород в ходе возникающих различных физико-химических процессов в системе дистиллированная вода—навеска породы.
4. Установлено, что величина условной минерализации по [Na++Cl-] для поровых вод из неэкстрагированных образцов пород баженовской свиты неравномерно изменяется по разрезу от 12,49 до 64,69 г/л для скважины Южного месторождения и от 22,2 до 111,17 г/л для скважины Вынгаяхинского месторождения.
Благодарности. Авторы выражают благодарность инженеру кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова С.А. Смирновой, сотрудникам ООО «Газпром-нефть НТЦ» Т.В. Мамяшеву, А.К. Костину, а также ведущему научному сотруднику Сколковского института науки и технологий Н.Н. Богданович.
Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. М.: Недра, 1976. 287 с.
Крюков П.А. Горные, почвенные и иловые растворы. Новосибирск: Наука, 1971. 219 с.
Силич В.Е. Поровые воды пород баженовской свиты Салымского нефтяного месторождения // Строение и нефтегазоносность баженитов Западной Сибири. Тюмень: ЗапСибНИГНИ, 1985. C. 87-91.
Fernández A.M., Sánchez-Ledesma D.M. et al. Applying the squeezing technique to highly consolidated clayrocks for pore water characterisation: Lessons learned from experiments at the Mont Terri Rock Laboratory // Appl. Geochem., 2014. Vol. 49. P. 2-21.
Kazak E.S., Kazak A.V., Spasennykh M, Voropaev A. Quantity and composition of residual pore water extracted from samples of the bazhenov source rock of West Siberia, Russian Federation // 17th Intern. Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017, 29 June - 5 July, Bulgaria, Albena, 2017. P. 829-841.
Nesterov I.I. Oil and gas pools: the fundamentals of formation, prospecting, and exploitation // Russ. Geol. and Geophys. 2009. Vol. 50. P. 320-326.
Sacchi E, Michelot J.-L., Pitsch H. et al. Extraction of water and solutes from argillaceous rocks for geochemical characterisation: Methods, processes and current understanding // Hydrogeology. 2001. Vol. 9. P. 17-33.
Thyne G., Brady P. Evaluation of formation water chemistry and scale prediction: Bakken Shale // Appl. Geochem., 2016. Vol. 75. P. 107-113.
Поступила в редакцию 27.02.2018
