CC BY
234
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЛАСТОВЫХ ВОД НА РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОМ СПЕКТРОМЕТРЕ
Денис Олегович Артамонов
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, заведующий группой физико-химических исследований горных пород и природных вод, тел. +7 913-933-24-48, e-mail:
artamonov@sniiggims.ru
Ольга Владимировна Орлова
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, инженер первой категории, тел +7-913-200-71-77, e-mail: orlova@sniiggims.ru
В настоящей работе рассматривается методика определения химического состава природных вод методом рентгенофлуоресцентного анализа на примере изучения подземных пластовых вод, полученных при бурении параметрических скважин на территории Восточной Сибири. Предложенный подход позволяет учитывать влияние кислорода, входящего в состав проб воды, на сигнал флуоресценции и эффективно проводить матричную коррекцию, что обеспечивает правильность анализа. Данная методика на практике применяется впервые и обладает рядом преимуществ по сравнению с классическими химическими методами определения элементного состава природных вод - экспрессность, малый объем пробы для анализа, недеструктивность и простая пробоподготовка - и может успешно применяться для экспрессного анализа непосредственно в полевых условиях.
Ключевые слова: рентгенофлуоресцентный анализ, метод фундаментальных
параметров, пластовые воды, параметрические скважины, экспресс-метод, анализ в полевых условиях.
THE OIL-FIELD WATER CHEMICAL COMPOSITION DETERMINATION ON X-RAY FLUORESCENCE SPECTROMETER
Denis O. Artamonov
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 630091, Novosibirsk, Krasniy avenue 67, head of rock and natural water physicochemical research group, tel. +7-913-933-24-48, e-mail: artamonov@sniiggims.ru
Olga V. Orlova
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 630091, Novosibirsk, Krasniy avenue 67, engineer, tel. +7-913-200-71-77, e-mail: orlova@sniiggims.ru
This paper discusses the method of determining the natural water chemical composition by XRF analysis during research of highly mineralized oil-field water produced by drilling parametric wells in Eastern Siberia. The proposed approach allows to take into account the influence of oxygen on water samples fluorescence and effectively realize matrix correction, ensuring accuracy of the analysis. The proposed method is applied for the first time and has several advantages over classical chemical methods of natural water analysis - quickness, small volume of sample, nondisruptiveness and simple sample preparation - and can be successfully used for the field express analysis.
Key words: X-ray fluorescence analysis, the method of fundamental parameters, oil-field water, parametric wells, express method, field analysis.
Введение
При геологическом изучении труднодоступных территорий от отбора пробы пластовых вод до ее поступления в лабораторию и получения достоверной информации проходит значительное время (иногда один-два месяца). Это требует специальной консервации проб, особых условий хранения и транспортировки, т.к. сразу же после отбора в пробе начинают проходить интенсивные процессы выпадения осадка. Наиболее целесообразным и методологически правильным является анализ таких проб непосредственно после отбора. Сегодняшний парк портативного аналитического оборудования позволяет проводить экспрессные исследования элементного состава природных объектов непосредственно в полевых условиях. Именно к ним можно отнести оборудование для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), которое с успехом применяется при изучении элементного состава горных пород, нефтепродуктов, солей и рассолов в полевых условиях.
Объект и метод исследования
Описываемая методика разрабатывалась для экспрессного анализа пластовых вод (минерализация 3-600 г/дм ), включающего в себя определение содержания натрия, магния, серы, хлора, калия, кальция, марганца, железа, брома, стронция на приборе ARL Optim’X (мощность рентгеновской трубки 50 Вт).
В результате обобщения литературных данных [3, 4, 5] и результатов анализов пластовых вод, выполненных другими методами в Центре аналитических исследований ФГУП «СНИИГГиМС», а также с учетом пределов обнаружения прибора были выбраны следующие диапазоны концентраций (г/дм ): натрий - 1-100, магний - 0,5-20, сульфат-ион - 0,05-5, хлорид-ион - 1-300, калий - 0,3-30, кальций - 0,5-100, марганец - 0,01-0,25, железо - 0,01-1, бромид-ион и стронций 0,1-10.
Метод РФА является одной из разновидностей рентгеноспектрального метода анализа. Он основан на измерении интенсивности рентгеновского флуоресцентного (характеристического) излучения определяемых элементов при экспонировании проб (в данном случае - жидких образцов воды). Концентрацию компонентов определяют с помощью предварительно построенных градуировочных характеристик, взаимное влияние элементов и матричные эффекты учитываются применением метода фундаментальных параметров (МФП). МФП использовался в следующем варианте: градуировочные характеристики строились по чистым веществам, с применением поправочных коэффициентов к измеренным интенсивностям аналитических линий. МФП был реализован в виде отдельного программного модуля, обладающего собственной базой данных градуировок, возможностью выбора модели коррекции, числа итераций при расчете концентраций элементов и т. д.
Методика анализа пластовых вод
Пробоподготовка и анализ
Пробоподготовка заключается в фильтровании пробы и предварительном измерении плотности. Объем пробы, необходимый для анализа, составляет 10 см3 - это минимальный объем, при котором анализ проходит в условиях насыщенного слоя (одно из основных условий применимости МФП), т. е. интенсивность характеристического излучения элемента зависит только от его концентрации и не зависит от объема пробы.
Проба измеряется непосредственно в специальной кювете, дно которой представляет собой туго натянутую рентгенопрозрачную пленку из полипропилена толщиной 4 мкм. Измерение происходит в атмосфере гелия.
Для каждой из проб проводится два параллельных определения. Необходимость этого обуславливается тем, что излучение легких элементов (натрия, магния) сильно поглощается пробой и для них мала толщина излучающего слоя. Проведение двух параллельных определений с усреднением результатов позволяет минимизировать влияние неоднородности пленки, уровня ее натяжения, образования пузырьков газа на пленке в процессе анализа.
При анализе в полевых условиях непосредственно после отбора время анализа для рассматриваемого прибора составляет 40 минут (1 проба в 2 параллелях). При необходимости длительного хранения пробы, полное время анализа составит 80 минут (2 пробы в 2 параллелях), так как металлы необходимо будет определять из отдельной пробы, подкисленной азотной кислотой. При использовании приборов с более мощными рентгеновскими трубками время анализа существенно сокращается.
Метрологические характеристики методики
Для оценки показателей качества методики анализа был поставлен ряд метрологических экспериментов на реальных пробах пластовых вод параметрических скважин.
Полученные метрологические показатели методики в сравнении с соответствующими показателями классических методов анализа [1,2], применяющихся в нашей лаборатории для анализа пластовых вод, приведены в табл. 2.
Таблица 2. Диапазон измерений, значения показателей точности методики
Определяемый компонент Диапазон измерений массовой концентрации определяемого компонента, (г/дм3) Показатель точности РФА (границы относительной погрешности при вероятности Р=0,95), ± 8 % Показатель точности классического метода анализа (границы относительной погрешности при вероятности Р=0,95), ± 8 %
Ка 1-10 24 10
10-100 16
Мв 0,5-2 24 5
2-20 14
Б042- 0,05-0,5 42 30-18
0,5-5 28 18
С1 1-300 12 9
к 0,3-30 12 7
Са 0,5-100 12 5
Мп 0,01-0,05 23 20
0,05-0,25 12
Бе 0,01-0,1 23 20
0,1-1 14
Вг 0,1-10 12 20
Бг 0,1-10 12 10
Как видно из таблицы, для большинства элементов показатели точности метода РФА сравнимы с соответствующими показателями классических методов анализа. Следует отметить, что при определении высоких концентраций брома в сравнении с классическими методами химического анализа мы получаем большую точность при меньших трудозатратах.
При выполнении работ по изучению состава пластовых вод параметрических скважин в Восточной Сибири и республике Саха (Якутия) в рамках Государственного контракта № 4Ф-09 от 03.11.2009 г. аналитические работы велись параллельно классическими методами анализа и методом РФА. Межметодное сравнение полученных данных показывает их хорошую сходимость и применимость представленной методики для анализа подобных объектов [1, 2].
Представленная методика анализа прошла аттестацию в экспертной организации ФГУП «ВИМС» по результатам метрологической экспертизы [6].
Заключение
Предложена методика анализа высокоминерализованных пластовых вод на рентгенофлуоресцентном спектрометре с использованием метода фундаментальных параметров. Экспериментальная проверка при анализе коллекции пластовых вод параметрических скважин Восточной Сибири показала эффективность предложенного подхода.
Полученные в ходе аттестации методики метрологические характеристики позволяют утверждать, что предложенная методика анализа является особенно перспективной для определения содержания тяжелых элементов (хлора, калия,
кальция, марганца, железа, брома, стронция) и для предварительного определения содержания легких элементов (натрия, магния, серы), которое можно в дальнейшем уточнить другими методами.
Такие преимущества, как экспрессность, простота выполнения, ненужность химических реактивов для анализа, позволяют рекомендовать методику для использования в полевых условиях с помощью портативных рентгенофлуоресцентных спектрометров.
Основные преимущества разработанной методики по сравнению с классическими методами: продолжительность одного параллельного
определения 20 минут (для прибора ЛКЬ Орйш’Х), минимальный объем пробы 10 см , одновременное определение 10 элементов, неизменность состава пробы при анализе, возможность в дальнейшем анализа той же самой пробы любыми другими методами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артамонов Д.О., Иванов П.А., Орлова О.В. Определение химического состава высокоминерализованных пластовых вод методом рентгенофлуоресцентного анализа // Тезисы VII Всероссийской конференция по рентгеноспектральному анализу. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - С. 115.
2. Артамонов Д.О., Орлова О.В., Шиганова О.В. Методика выполнения измерений концентрации элементов в природной воде методом рентгенофлуоресцентного анализа // Материалы Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии». - М: ФГУП «ВСЕГИНГЕО». 2011. - С. 296-304.
3. Вожов В.И. Подземные воды и гидроминеральное сырье Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции. - Новосибирск: СНИИГГиМС, 2006. - 209 с.
4. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1970. - 488 с.
5. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / Под ред. А.Д. Семенова. - Л.: Гидрометоиздат, 1977. - 542 с.
6. СТО ИГ-30-2011. Методика выполнения измерений концентрации элементов в природной воде методом рентгенофлуоресцентного анализа, 2011 г. Свидетельство № 174/2011-01.00115-08 ФГУП «ВИМС».
© Д.О. Артамонов, О.В. Орлова, 2012
