«М.К. Иванов, Г.А. Калмыков, В.С. Белохин, Д.В. Корост, Р.А. Хамидуллин Петрофизические методы исследования кернового материала Учебное пособие В 2-х книгах Книга 2 Лабораторные методы петрофизических исследований ...»

Кроме этого, в рабочей области окна программы расположены следующие элементы управления:

Экспресс-режим. Позволяет установить режим работы программы, в котором отслеживается протекание реакции в течение первых 5 минут. Через 5 минут после считывания показаний компьютер производит расчет искомого содержания кальцита, доломита и нерастворимого остатка в исследуемой пробе с учетом изменения температуры в реакционной камере и степени незавершенности реакции (т.е. с учетом количества не прореагировавшего к этому времени кальцита и доломита). Результаты, получаемые в этом случае, являются менее достоверными, чем при работе в основном режиме, когда отслеживается протекание реакции в течение 30 минут, т.е. практически до полного ее завершения.

Автоматическое определение момента начала реакции. В этом случае момент начала реакции определяется по скачку давления в реакционной камере карбонатометра во время впрыскивания в нее раствора соляной кислоты. Практика показала надежность такого определения.

Если режим не установлен, за моментом начала реакции считается момент нажатия кнопки «Старт». В этом случае необходимо как можно быстрее после нажатия кнопки «Старт» впрыснуть кислоту в реакционную камеру. Следует заметить, что работа в этом режиме приводит к получению недостоверных результатов из-за искажения регистрации динамики реакции, особенно при анализе проб пород с высоким содержанием кальцита.

Контроль газовых линий прибора. Позволяет включить или выключить режим проверки герметичности газовых линий прибора в процессе проведения измерений. Если режим включен, в программе каждую минуту рассчитывается среднее значение давления. Если оно убывает более, чем на заданную величину (0,005 атм.), выдается сообщение о потере давления и необходимости проверки газовых линий прибора. Работа с прибором, в котором происходит потеря давления, не допускается, т.к. приводит к получению недостоверных результатов.

Автоматическое определение момента завершения реакции. В этом режиме после истечения 5-й минуты каждую минуту рассчитывается среднее значение давления. Если оно возрастает менее, чем на заданную величину (0,005 атм.) выдается соответствующее сообщение и производится расчет выходных параметров.

Кнопка «Старт» служит для включения в программе отсчета времени с момента начала реакции и построения графика изменения давления в реакционной камере по времени (см. раздел «Автоматическое определение момента начала реакции»).

Кнопка «Стоп» служит для остановки отслеживания реакции в реакционной камере карбонатометра.

Кнопка «Параметры графика». Кнопка «Параметры графика» служит для изменения параметров отображения в рабочей области окна программы графиков изменения давления и температуры в реакционной камере карбонатометра. Поле, в котором отображаются графики изменения давления и температуры в реакционной камере карбонатомера по времени, находится в нижней части окна.

Кнопка «Сохранить график» служит для сохранения графиков, полученных в процессе анализа образца в файле. При этом графики выводятся всякий раз при переходе к данному образцу во время просмотра информации в архивном файле.

Изображение карбонатометра КМ-04 со шкалой для индикации остатка раствора кислоты в емкости, т.к. в карбонатометре КМ-04 используется непрозрачная емкость для раствора соляной кислоты и в процессе работы неудобно контролировать ее остаток. Для решения этой задачи после впрыскивания в реакционную камеру заданной дозы раствора соляной кислоты программа автоматически рассчитывает ее текущий остаток в емкости, отображает его на шкале и выдает предупреждение, если запас раствора соляной кислоты в емкости заканчивается. ВНИМАНИЕ! Если расходовать кислоту из емкости при выключенном компьютере или без включения режима отслеживания процесса реакции (используя кнопку «Старт»), правильное отображение остатка кислоты в емкости будет невозможно.

«Мастер подсказок» используется на этапе освоения программы. Поэтому рекомендуется в меню «Параметры» включить этот режим (в исходном состоянии, после инсталляции программы, он находится во включенном состоянии).

В режиме «Мастер подсказок» после подготовки навески породы к анализу, описанной выше, требуется нажать кнопку «Старт». Далее на экран будут последовательно выводиться диалоговые окна с окна с последовательностью действий, которые должен выполнить оператор в процессе анализа образца. После выполнения очередной подсказки необходимо нажать на кнопку «Далее». После выполнения последней подсказки автоматически запустится режим определения карбонатности, по окончании которого в соответствующих окнах программы отобразятся полученные значения массового содержания кальцита, доломита и нерастворенного остатка.

1. Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред. М.: Недра, 1970.

2. Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. М.: Недра, 1977.

3. Оркин К.Г., Кучинский П.К. Лабораторные работы по курсу «Физика нефтяного пласта». М.: Гостоптехиздат, 1953.

4. Карбонатомер КМ-04. Руководство по эксплуатации.

7 Измерение удельного электрического сопротивления горных пород в атмосферных условиях Удельное электрическое сопротивление горных пород зависит от электропроводности минералов, пористости, водонасыщенности, удельного сопротивления вод, структурных и текстурных особенностей пород и т. д. Поэтому строгой зависимости между пористостью и удельным сопротивлением не существует. Вместе с тем некоторые упрощения позволяют установить такую зависимость с точностью, вполне достаточной для практики. Так, например, можно считать, что различие удельных сопротивлений однотипных пород, полностью насыщенных водой, в основном будет определяться изменениями пористости и удельными сопротивлениями вод. Влияние же других факторов на удельное сопротивление однотипных пород будет приблизительно одинаковым.

Чтобы исключить влияние минерализации пластовой поды, содержащейся в породе, при изучении пористости пород по их удельному сопротивлению обычно рассматривается отношение удельного сопротивления водонасыщенной породы вп к сопротивлению насыщающей ее воды в :

где Рп - параметр пористости, или относительное сопротивление (по Б.Н. Дахнову).

Так как удельное сопротивление водонасыщенной породы зависит не только от пористости, но и от строения поровых каналов, зависимость относительного сопротивления от пористости в общем виде определяется формулой где a - коэффициент, изменяющийся для разных пород; Кп - пористость; m - показатель степени, зависящий от структуры порового пространства и сцементированности породы.

Из уравнений (7.1) и (7.2) получаем:

Для решения данного уравнения можно определить удельное электрическое сопротивление насыщенной породы в атмосферных условиях и самой насыщающей жидкости. Для этого используется прибор «ПетроОм» (Рис. 7.1). Прибор предназначен для измерения электрического сопротивления насыщенных солевыми растворами или пластовыми флюидами образцов горных пород и удельного электрического сопротивления растворов в атмосферных условиях и соответствует требованиям ГОСТ 25494-82 [1].

Измерение УЭС происходит по четырехэлектродному методу.

В состав прибора входят прижимное устройство образца керна к измерительным электродам и кювета с контактами для замера сопротивления флюида.

Прибор имеет собственный цифровой дисплей, а также может подключаться к компьютеру и управляться посредством соответствующего программного обеспечения.

Рис. 7.1 Прибор для определения УЭС горных пород и флюидов «ПетроОм»

7.1 Порядок проведения работ в автономном режиме 7.1.1 Определение удельного электрического сопротивления (УЭС) водных растворов 1.1. Включить прибор в сеть.

1.2. Подготовить емкость для замера сопротивления флюида (кювету) к измерениям, для чего из нее извлечь нижнюю запорную пробку, промыть дистиллированной водой и вытереть насухо. Установить нижнюю пробку в кювету.

1.3. Осторожно заполнить кювету исследуемым раствором на 1 - 1,5 см выше верхнего измерительного электрода.

1.4. Подключить кювету к измерительному блоку с помощью зажимов.

1.5. По истечении 2 - 3 секунд на дисплее измерительного блока высвечивается значение определяемой величины полного сопротивления раствора.

1.6. Определить УЭС раствора как произведение показания прибора на коэффициент К, полученный в результате градуировки прибора и заложенный в программное обеспечение.

1.7. Результат измерения занести в журнал проводимых работ.

1.8. Отсоединить кювету от измерительного блока.

1.9. Вылить раствор из кюветы. Промыть кювету дистиллированной водой и вытереть насухо по пункту 1.2.

1.10. Для последующих измерений выполнить пункты 1.3 - 1.9.

1.11. Обесточить прибор, убрать рабочее место.

7.1.2 Определение электрического сопротивления насыщенного керна Убедиться, что прижимное устройство подключено к источнику сжатого воздуха (для получения повторяемости результатов измерения необходимо поддерживать в системе постоянное давление и работать в диапазоне от 0,1 до 0,25 МПа) и включить питание прибора.

Перевести клапан прижима образца в верхнее положение, при этом измерительные электроды будут разомкнуты.

Произвести калибровку прибора («Установить нуль»):

2. Подключить кернодержатель к измерительному блоку.

Установить в кернодержатель на нижний электрод металлический эталон.

Переключить пневматический тумблер в нижнее положение. Электроды кернодержателя должны сомкнуться на эталоне.

По истечении 5 секунд на табло дисплея высветится значение «нулевого» сопротивления, которое заносится в журнал измерений и учитывается при определении электрического сопротивления образцов керна (RH).

Перевести тумблер в верхнее положение и извлечь эталон из кернодержателя.

Прибор готов к работе в режиме измерения электрического сопротивления образцов керна.

Установить в кернодержатель исследуемый образец керна.

2. Перевести пневматического тумблер в нижнее положение.

2. По истечении 5 - 10 секунд показания с дисплея прибора записать в рабочий 2. журнал.

Вычислить УЭС образца керна по формуле:

2. где:

Rn - считываемое показание прибора, Ом;

RH - нулевое сопротивление, Ом;

d - диаметр образца, мм;

l - длина образца, мм.

Результат занести в рабочий журнал.

2. Перевести тумблер в верхнее положение и извлечь образец из кернодержателя.

2.10 Для дальнейших измерений повторить пункты 2.4 – 2.9.

2.11 После 5 - 10 измерений электрического сопротивления необходимо проводить контрольное измерение нулевого сопротивления.

2.12 По окончании измерений электрического сопротивления кернодержатель прибора промыть дистиллированной водой, удалить солевые проявления, вытереть насухо.

2.13 Обесточить прибор, убрать рабочее место.

7.2 Порядок проведения работ в составе ПЭВМ 7.2.1 Определение удельного электрического сопротивления (УЭС) водных растворов Подключить измерительный блок прибора к персональному компьютеру.

Запустить программу «Petroom.exe». При правильном подключении прибора в нижней части окна должно появиться сообщение «Устройство подключено».

При неправильном подключении появляется сообщение «Устройство не обнаружено».

В меню «Настройка» выбрать «Связь с прибором», далее «СОМ X», где X номер порта, к которому подключен прибор.

Подготовка прибора к работе:

a) Подготовить измерительную кювету к измерениям, для чего извлечь нижнюю запорную пробку из измерительной кюветы, промыть кювету дистиллированной водой и вытереть кювету насухо.

b) Установить нижнюю пробку? в измерительную кювету.

c) Осторожно заполнить измерительную кювету исследуемым раствором на 1- 1,5 см выше верхнего измерительного электрода.

d) Подключить измерительную кювету к измерительному блоку.

e) В меню «Настройки» активировать функцию УЭС раствора.

В правом нижнем углу окна программы появится график зависимости УЭС 2. раствора от времени.

На представленном графике выберите значение на плато УЭС раствора. При 2. помощи указателя манипулятора «мышь» выберите эту точку на графике. Ее значение появится с правой стороны над полем графика. При нажатии на кнопку «Сохранить» это значение будет занесено в соответствующий файл.

В сопроводительное окно программы внесите комментарии, необходимые 2. для архивации полученного значения. После этого нажать на кнопку «Сохранить», результаты измерения будут записаны в отдельный файл на компьютере.

Выполнить пункты 1.7.-1. 2. Для повторного измерения раствора выполнить пункты 2.1 - 2. 2. 7.2.2 Определение электрического сопротивления насыщенного керна Открыть окно «Настройки», активировать «УЭС керна».

2. Выполнить пункты 2.1 - 2. 2. Открыть окно «Настройки» и активировать «Установку нуля».

2. Перевести тумблер в верхнее положение и извлечь алюминиевый образец из 2. кернодержателя.

2.10 Вымыть алюминиевый образец в дистиллированной воде и вытереть насухо.

2.11 Прибор готов к работе в режиме измерения электрического сопротивления керна.

2.12 Ввести исходные данные по исследуемому образцу, указанные в нижнем левом окне «Данные по изучаемому керну».

2.13 Выполнить пункты 2.4 – 2.7.

2.14 В окне программы появится текущее значение УЭС, а в правом нижнем углу окна программы - график зависимости УЭС керна от времени. Измерительный блок работает по алгоритму усреднения соседних значений и поэтому первые полторы-две секунды информация содержит приблизительное значение. На экране графика наблюдается падение значения УЭС, что не свойственно при измерении УЭС керна. Рекомендуется определять в качестве значения УЭС момент перехода из «минимума» в «максимум».

2.15 При помощи указателя манипулятора «мышь» выберите эту точку на графике. Ее значение появится с правой стороны над полем графика. При нажатии на кнопку «Сохранить» это значение будет занесено в соответствующий файл.

2.16 Выполнить пункт 2. 2.17 Для дальнейших измерений выполнить пункты 2.8.-2.17.

При любой активации программы «Petroom.exe» автоматически создается файл записи результатов измерения в формате «Месторождение.сsv» по адресу: «Мои документы/ЕсоgеоsProm/PetroOm/Месторождение.сsv». При изменении названия месторождения создается новый файл. Файл можно прочитать в программе «Microsoft Excel».

1. ГОСТ 25494-82 Породы горные. Метод определения удельного электрического сопротивления.

2. Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред. М.: Недра, 1970.

3. Клубова Т.Т. Глинистые минералы и их роль в генезисе, миграции и аккумуляции нефти. М.: Недра, 1973.

4. Методы исследования пород коллекторов. М.: ВНИГНИ, 1970.

5. Ханин А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. М.: Недра, 1969.

8 Определение скорости акустических волн в атмосферных условиях Для определения скорости распространения упругих продольных и поперечных акустических волн используется прибор «УЗОР 2000» (ультразвуковой определитель скорости распространения упругих волн в образцах горных пород). Прибор состоит из регистрирующего блока (АСК-3106), измерительного блока (кернодержатель) и генератора акустических волн (пульс-ресивера) (Рис. 8.1). В комплект прибора входит программа «Осциллограф АСК-3151», позволяющая оператору получать и обрабатывать данные непосредственно на компьютере.

Рис. 8.1 Общий вид прибора «УЗОР 2000» для определения скорости распространения упругих продольных и поперечных акустических волн Принцип действия прибора основан на регистрации времени прохождения упругих акустических волн от преобразователей, прикладываемых к противоположным торцам исследуемого образца керна, помещенного в специальный кернодержатель.

Прилагаемая к прибору программа «Осциллограф АСК-3151» предназначена для первоначальной обработки и записи акустических сигналов, полученных при прохождении через исследуемый образец на накопитель жесткого диска компьютера.

Детальная отработка записанных сигналов и подсчет скорости распространения продольных и поперечных акустических волн производится в программе “Research” обработки акустических сигналов.

Порядок работы регистрации прохождения скорости продольных или поперечных волн принципиально не отличается, поэтому рассмотрим процесс на примере определения скорости продольных волн.

Порядок работы 1. Подготовить к исследованию образцы керна в соответствии с ГОСТ 2115.7Карандашом или фломастером нанести на боковую поверхность образца 3 вертикальные линии.

3. Штангенциркулем замерить высоту образца с точностью 0,1 мм.

4. Установить образец в кернодержатель, приподняв верхний излучатель с помощью ручки (Рис. 8.1).

5. Перевести установленный на лицевой панели пульс-ресивера переключатель в положение «Продольные».

6. При помощи манипулятора «мышь» настроить изображение на экране осциллографа (Рис. 8.2). Используя вертикальные курсоры, снять информацию о времени прохождения сигнала через образец.

7. Запустить блок программы «Исследование».

8. Ввести в соответствующие графы программы измеренные значения и текстовую информацию. Сохранить результаты измерений.

9 Запустить программу «Research» (Рис. 8.3) и произвести детальную обработку акустических сигналов.

10. Измерение времени прохождения поперечных волн производить аналогично продольным, переключив на лицевой панели пульс-ресивера переключатель в положение «Поперечные».

Рис. 8.2 Программа измерительного блока скорости распространения упругих акустических Рис. 8.3 Окно программы Research для определения скорости акустических волн. Зеленая линия – момент первого вступления 1. ГОСТ 2115.7-75 «Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн».

2. Методическое руководство по определению физических свойств горных пород и полезных ископаемых. М.: Госгеолтехиздат, 1962.

3. Методы исследования пород коллекторов. М.: ВНИГНИ, 1970.

9 Определение акустических свойств, удельного электрического сопротивления и пористости в пластовых условиях Для определения скорости распространения упругих акустических волн, удельного электрического сопротивления и пористости [1] используется автоматизированная установка моделирования пластовых условий ПУМА-650 [2]. Данная установка предназначена также для определения проницаемости по жидкости в пластовых условиях. Общие характеристики установки и описание приведены в главе 3.4.2.

Для определения акустических свойств, пористости и УЭС используется кернодержатель, изображенный на Рис. 9.1. Для записи и обработки данных используются программы «Осциллограф АСК-3151» и «Research» (см. гл.8).

1. Порядок установки образца в кернодержатель при определении УЭС и скорости распространения акустических волн 1.1. Поместить цилиндрический образец в резиновую манжету кернодержателя.

1.2. Установить в резиновую манжету поршень 4 и шток 6 до соприкосновения с керном. Поршни 5 и 4 отличаются наличием встроенных акустических датчиков и измерительных электродов с соединительными проводами. При установке штока необходимо соблюдать осторожность и не деформировать подводящую трубочку к поршню 4.

1.3. Установить резиновую манжету с керном и поршнем в камеру 1.

1.4. Закрутить крышку 3 кернодержателя со стороны поршня 4.

1.5. Установить в резиновую манжету поршень 5 и закрутить крышку 2.

1.6. При помощи спецключей закрутить крышки 2 и 3 до упора. Эту операцию лучше выполнять с помощью второго оператора. Спецключи вставляются в углубления крышек кернодержателя в противоход друг другу.

1.7. Установить собранный кернодержатель в термокамеру на нагревательный элемент.

1.8. Подсоединить технологические трубки систем фильтрации и обжима к фитингам кернодержателя и также соединить разъемы проводов.

Рис. 9.1 Схема кернодержателя для определения акустических свойств, пористости и УЭС.

1 – камера кернодержателя, 2, 3 – крышки, 4, 5 – поршни,6 - шток 1.9. Вставить термодатчик в технологическое отверстие на поршне 5.

1.10. Подать давление обжима Роб = 400 атм и проверить качество сборки кернодержателя.

2. Порядок разборки кернодержателя 2.1. Сбросить давление в гидравлической системе обжима и в системе фильтрации.

2.2. Отсоединить датчик температуры, подводящие трубки и разъемы проводов от кернодержателя.

2.3. Извлечь из термокамеры кернодержатель и разместить на монтажном столе.

2.4. При помощи спецключей ослабить крышку 2 кернодержателя и затем открутить ее в ручную. Не рекомендуется при массовых измерениях физических свойств керна откручивать крышку 3, замену керна можно производить при снятой крышке 2.

2.5. Извлечь из резиновой манжеты поршень 5.

2.6. Извлечь образец керна из резиновой манжеты.

3. Измерение акустических свойств и удельного электрического сопротивления керна.

3.1. Для калибровки измерительной системы необходимо провести установочные измерения на калибре.

3.2. Собрать кернодержатель согласно п. 1, предварительно поместив в манжету кернодержателя калибр из оргстекла (Vp = 2,67 км/с, Vs = 1,12 км/с).

3.3. Запустить программу «ТЕНАКОН-ПЛАСТ» и задать давление обжима не менее 150 атм.

3.4. В окне программы выбрать позицию волны «Продольные».

3.5. Подключить регистрирующий акустический блок к компьютеру.

3.6. Запустить в работу программу «Осциллограф АСК-3151». Используя меню программы «Вертикальная и горизонтальная развертки», настроить сигнал прозвучивания.

3.7. Синим курсором установить точку предполагаемого «первого вступления».

3.8. Разобрать кернодержатель согласно п. 2 и вынуть из манжеты кернодержателя калибр из оргстекла.

Установка готова к работе.

3.9. Установить исследуемый цилиндрический образец в кернодержатель, руководствуясь п. 1.2.

3.10. Перевести установленный на лицевой панели пульс-ресивера переключатель в положение «ПРОД» (продольные).

3.11. При помощи манипулятора «мышь» добиться на экране осциллографа уверенного сигнала. Используя вертикальные курсоры, снять информацию о времени прохождения сигнала через образец. Записать на жесткий диск полученные сигналы продольной и поперечной волн.

3.12. Запустить программу «Research».

3.13. Загрузить в соответствующие окна программы сохраненные файлы с сигналами и текстовую информацию.

3.14. Измерение времени прохождения поперечных волн производить аналогично, переключив на лицевой панели пульс-ресивера переключатель в положение «ПОПЕР.» (поперечные).

3.15. Измерение УЭС образцов горных пород производится в автоматическом режиме. Результаты измерений отражаются в рабочем окне программы Результаты измерений могут быть зафиксированы путем нажатия кнопки «Запись».

3.16. Извлечь образец из кернодержателя согласно п.2.

4. Определение коэффициента открытой пористости Определение коэффициента открытой пористости производится путем определения перепада давления рабочей жидкости при известном изменении объема рабочей камеры и при известном внешнем объеме исследуемого образца. Измерения необходимо проводить на полностью насыщенных образцах, рассматривая как целенаправленный цикл исследований, либо после определения фильтрационных свойств с использованием в качестве рабочей жидкости дистиллированную воду.

4.1. Установить исследуемый образец в кернодержатель, руководствуясь п. 1.2.

4.2. Установить значение давления обжима Роб не менее 250 атм.

4.3. Запустить программу измерения пористости путем нажатия кнопки «Измер.

Кп» в рабочем окне программы и дождаться результата измерений. (Результат автоматически записывается в файл.) 1. ГОСТ 21153.7-75 Породы горные Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн.

2. Установка моделирования пластовых условий ПУМА-650. Руководство по эксплуатации.

10 ЯМР-исследования образцов 10.1 Физические основы Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитных волн атомными ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещенных в сильное постоянное магнитное поле, при одновременном воздействии на них перпендикулярно направленного переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (силовые линии переменного поля должны быть перпендикулярны силовым линиям постоянного поля) [1].

Рассмотрим явление ЯМР на примере простейшего ядра – водорода. Ядро водорода это протон, имеющий определенное значение собственного механического момента количества движения (спина). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, условно обозначаемых словами «вверх» и «вниз». Протон имеет также и магнитный момент, направление вектора которого жестко привязано к направлению вектора спина. Поэтому и вектор магнитного момента протона может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Таким образом, протон можно представить как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, то энергия протона в этом поле будет зависеть от того, куда направлен его магнитный момент (Рис. 10.1).

Энергия протона будет больше в том случае, если его магнитный момент направлен в сторону, противоположную полю. Эту энергию обозначим. Если магнитный момент протона направлен в ту же сторону, что и поле, то энергия протона, обозначаемая, будет меньше ( ). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию, то Перейдем от отдельного протона к макроскопическому образцу, содержащему большое число протонов. В образце из-за усреднения случайных ориентаций спинов примерно равные количества протонов при наложении постоянного внешнего магнитного поля окажутся относительно этого поля со спинами, направленными «вверх» и «вниз». Облучение образца электромагнитными волнами с частотой = )/, вызовет «массовый» переворот магнитных моментов протонов, в результате которого все протоны образца окажутся в состоянии со спинами, направленными против поля. Такой массовое изменение ориентации протонов будет сопровождаться резким (резонансным) поглощением квантов облучающего электромагнитного поля и носит название ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). В связи со слабостью эффекта ЯМР можно наблюдать лишь в образцах с большим числом ядер (>1016), используя специальные методики и высокочувствительные приборы.

Принцип действия ЯМР-анализатора основан на импульсном методе ядерного магнитного резонанса, в основу которого положено кратковременное импульсное воздействие высокочастотных колебаний определенной частоты на систему ядерных спинов, помещенных в однородное магнитное поле напряженностью Н0, и регистрации сигнала спада свободной индукции после воздействия ВЧ-колебаний (высокочастотных колебаний), создающих в катушке датчика переменное магнитное поле Н1, с последующей обработкой сигнала-отклика.

10.2 Измерение эффекта ядерно – магнитного резонанса После намагничивания образца полем постоянного магнита H0 радиочастотная катушка излучает серию импульсов (последовательность Карра-Перселла) определенной длительности, после каждого из которых измеряется сигнал спин-эхо ЯМР [3]. Релаксационная кривая получается как огибающая амплитуд сигналов спин-эхо (Рис. 10.2).

Последовательность Карра-Перселла состоит из начального импульса поля H1, действие которого приводит к отклонению вектора суммарной намагниченности М на 900 (900-импульс) и последовательных через промежутки времени 2 импульсов поля H1, поворачивающих M на 1800 (1800-импульс). Детектирующее устройство представляет собой катушку индуктивности, которая регистрирует электрический сигнал индукции на протяжении всей последовательности. Сразу после 900-импульса регистрируется затухающий сигнал так называемой свободной индукции, а в моменты - сигнал спинового эха (Рис. 10.2).

Рис. 10-2 Импульсная последовательность Карра-Перселла Величина TW контролирует степень намагниченности порового флюида. Так, изменение поведения релаксационной кривой при различных TW может указывать на присутствие пор крупных размеров или наличие в зоне исследования углеводородов.

Изменение регулирует активность процесса диффузии молекул порового флюида и принципиально позволяет выходить на определение коэффициента диффузии.

10.3 Обработка результатов измерений Исходной информацией для обработки является зарегистрированная релаксационная кривая, представляющая собой зависимость сигнала ЯМР от времени измерения. Из нее, решая интегральное уравнение Фредгольма [2]:

NMR(t) – кривая релаксации, B(T2) – распределение T2, с использованием метода регуляризации А.Н.Тихонова, рассчитывается спектр T2 (Рис. 10.3).

Так как время релаксации пропорционально размеру пор, то спектр качественно характеризует и распределение пористости по размерам Rпор. При наличии петрофизической связи Т2 – Rпор по данным методов вытеснения (капилляриметрия, ультрацентрифугирование, ртутная порометрия) или визуализации (шлифы, сканирующий электронный микроскоп) спектр ЯМР количественно характеризует распределение пористости по размерам пор.

10.4 Петрофизические основы использования эффекта ЯМР для изучения горных пород При петрофизических ЯМР–исследованиях изучается затухание намагниченности флюидов в порах горной породы, регистрируемое в виде релаксационной кривой (Рис. 10-4).

Начальная амплитуда релаксационной кривой, отражающая число резонирующих ядер, пропорциональна объемному водородосодержанию [2]. При этом во всех модификациях ЯМР–исследований к моменту начала измерения релаксация ядер водорода, входящего в состав твердой фазы породы, уже завершается, и они не вносят вклад в сигнал. Поэтому ЯМР–исследование характеризует водородосодержание только флюида (фильтрата, воды, нефти, газа) в пустотном пространстве породы, которое по данным калибровки пересчитывается в коэффициент пористости по ЯМР. Отсюда вытекает важное для практики следствие - величина полной пористости по ЯМР не зависит от литологии пород.

Рис. 10-4 Основные факторы, влияющие на регистрируемый сигнал при ЯМР-исследованиях Затухание определяется тремя параллельно проходящими процессами релаксации: поверхностной релаксацией, диффузионной и объемной, каждая из которых определяется комплексом петрофизических характеристик.

Поверхностная релаксация возникает за счет эффектов взаимодействия молекул флюида с поверхностью зерен и определяется распределением пористости по размерам пор, формой пор и релаксационной активностью поверхности.

Скорость релаксации будет тем больше, чем меньше размер пор (Рис. 10-5). В реальной горной породе могут присутствовать поры произвольных размеров и в самых разнообразных пропорциях. Результирующий сигнал, регистрируемый прибором, представляет собой сложную суперпозицию различающихся по временам релаксации компонент, каждая из которых соответствует группам пор разного размера.

Диффузионная релаксация проявляется в неоднородном магнитном поле, где молекулярное движение вызывает расфазировку прецессирующих спинов протонов.

Она возникает, в частности, при использовании средств измерений, формирующих неоднородное магнитное поле. В последнем случае диффузионная релаксация может определяться выбором методики измерений: можно либо уменьшить ее вклад до уровня, которым можно пренебречь, либо наоборот – максимально увеличить эффект с определением принципиально нового для практики ГИС петрофизического параметра – коэффициента диффузии порового флюида.

Объемная релаксация определяется собственно свойствами флюида, насыщающего поровое пространство. Эффект объемной релаксации слабее поверхностной и становится заметным, когда взаимодействие протонов с поверхностью ограничено, например, в случае углеводородов в гидрофильных породах (протоны углеводородов не контактируют с поверхностью пор).

Таким образом, эффект ЯМР чувствителен к практически важным петрофизическим характеристикам, таким как емкость (распределение пористости по размерам пор), фильтрация (через распределение пористости по размерам пор), насыщенность и состав флюидов (на основе коэффициента диффузии).

Наилучшие возможности ЯМР имеет для определения характеристик емкости, поскольку эффекты поверхностной релаксации при изучении горных пород являются основными в формировании релаксационной кривой, а амплитуда характеризует водородосодержание флюида. Поэтому именно в рамках интерпретационной модели пористости и проводится основная обработка данных ЯМР. Самостоятельное значение имеет оценка флюидонасыщенности, но она более сложна, поскольку требует выделения достаточно слабых эффектов диффузионной релаксации на фоне поверхностной, и реализуется при применении специальных средств и методик измерения.

Поры, формируемые песчаными и алевритовыми частицами (правое фото Рис.

10.6), имеют относительно большие размеры, и их емкость отражается в правой части спектра. Поры глинистых минералов (левое фото) имеют различные размеры.

Микропористость связана с тонкодисперсными глинистыми минералами (гидрослюда) и минералами с набухающими пакетами (смектиты, минералы группы монтмориллонита). Поры каолинита и хлорита имеют относительно крупные размеры частиц и могут фиксироваться в составе капиллярно – связанной пористости.

Рис. 10-6 Петрофизическая информативность спектра ЯМР Дальнейшая обработка производится на основе полученных спектров ЯМР (Рис. 10.7).

Характеристики емкости (эффективная, заполненная капиллярно–связанной водой, каверновая пористости, микропористость глин) оцениваются путем интегрирования спектра в заданных интервалах времен релаксации, соответствующих группам пор определенных размеров. Емкость, заполненная капиллярно–связанной водой и микропористость глин вместе составляют пористость, занятую остаточной водой.

Для оценки абсолютной проницаемости могут использоваться различные подходы. Один из них связан с оценкой проницаемости по эффективной пористости или остаточной водонасыщенности, непосредственно определяемым по ЯМР. Во втором подходе Кпр рассчитывается непосредственно из спектров ЯМР по специальной методике с использованием сеточной капиллярной модели пористой среды.

Для изучения эффектов остаточной насыщенности применяются специальные методики измерений и приемы обработки, основанные на изменении характеристик импульсной последовательности.

10.5 Аппаратура «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М»

Катушку, внутри которой находится исследуемое вещество, помещают в постоянное магнитное поле, причем ось катушки перпендикулярна вектору напряженности (Н0)[4]. На катушку подается радиоимпульс с частотой заполнения (0). В результате взаимодействия высокочастотного магнитного поля (Н1) с системой ядерных спинов исследуемого образца в постоянном магнитном поле (Н0) происходит поглощение энергии исследуемым веществом. По окончании радиоимпульса высвобождаемая образцом энергия создает в катушке датчика переменное магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна числу резонирующих ядер, а характер и длительность процесса высвобождения энергии определяются внутренней структурой вещества.

В качестве источника постоянного магнитного поля использованы постоянные магниты с величиной магнитной индукции порядка 0,47 Тл в межполюсном зазоре 20мм, что соответствует резонансной частоте около 20 МГц для протонов водорода.

Персональный компьютер типа IBM PC через интерфейс пользователя осуществляет связь оператора с устройствами ЯМР-анализатора в интерактивном режиме и предназначен для задания исходных данных и режимов работы, управления режимами измерений, контроля правильности функционирования ЯМР-анализатора и обработки результатов измерений.

Работа с ЯМР-анализатором состоит из следующих этапов:

1) подготовка к работе;

2) настройка;

3) измерения;

4) обработка результатов измерений;

5) вывод результатов измерений.

Конструктивно ЯМР-анализатор выполнен в виде двух блоков: блока магнитного и блока управления (Рис. 10.8). Электрическая связь между блоками и между блоком управления и компьютером осуществляется с помощью кабелей и жгутов, входящих в комплект прибора. В ЯМР-анализаторе предусмотрена регулировка положения пробирки с образцом в катушке датчика для улучшения формы и амплитуды сигнала путем расположения образца в зоне с максимальной однородностью магнитного поля. Блок магнитный конструктивно состоит из магнитной системы, датчика ЯМР-сигнала, установленного в зазор магнитной системы, и электронных устройств:

контроллера магнитного блока, усилителя датчика, усилителя ЯМР-сигнала, ячейки управления нагревателями, модуля стабилизаторов. Электронные устройства расположены в отсеках задней части магнитного блока. Корпус термостата магнитной системы выполнен из пенопласта.

Рис. 10-8 Блок магнитный аппаратуры «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М»

Блок управления изготовлен на базе системного блока персонального компьютера, внутри которого располагаются электронные устройства: блок питания, приемник, передатчик, усилитель мощности, контроллер блока управления, модуль стабилизаторов. На задней панели установлены разъемы для подключения внешних устройств.

1. www.nuclphys.sinp.msu.ru 2. Хаматдинов Р. Т., Митюшин Е. М., Барляев В. Ю., Мурцовкин В. А., Малинин А. В. Ядерно-магнитный томографический каротаж /Каротажник № 100, Тверь: Из-во АИС,,2002, с. 138 – 172.

3. Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье спектроскопия ЯМР. М.: Мир, 1973.

4. ЯМР – АНАЛИЗАТОР «ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М» Руководство по эксплуатации.

11Термогравиметрический анализ проб (дериватография) При последовательном нагревании минералов с ними происходят различные изменения как физического состояния (плавление, испарение), так и, что более важно, химического состава – потеря воды, вначале рыхлосвязанной, затем прочносвязанной, разложение на определенные компоненты и т.д. Все эти превращения сопровождаются либо выделением тепла (экзотермические реакции), либо его поглощением (эндотермические реакции), причем эти фазовые переходы и связанные сними скачки температуры специфичны для каждого минерала.

11.1 Термогравиметрический способ (способ сушки) Термогравиметрический способ [1] заключается в непрерывном нагревании и взвешивании образцов породы при помощи термовесов дериватографа, регистрирующего на специальном бланке термогравитограмму (Рис.11.1), включающую температурную кривую Т; кривую дифференциально-термического анализа (кривую изменения теплосодержания образца) ДТА; дифференциальную кривую ДТГ (кривую cкорости изменения массы) и интегральную кривую ТГ измеа по оси нения массы. По оси абсцисс записывается температура t или время ординат - скорость dтп/dt изменения массы тп образца по температуре t, скорость dтп/d изменения массы тп образца по времени или изменение массы образца от температуры t. До начала регистрации кривых на бланк термогравитовращения барабана самописца, темпеграммы впечатываются шкалы времени ратур и потери массы образца.

Присутствие в образце свободной и большого количества рыхлосвязанной воды искажает истинную картину выделения в ней различно связанных форм воды. Наилучшие результаты термической дегидратации получают при анализе образцов с низкой исходной влажностью.

Термогравиметрический способ позволяет с достаточной степенью точности исследовать образцы, насыщенные до состояния гигроскопической и максимальногигроскопической влажности. При нагревании образцу сообщается необходимое количество энергии для отрыва сначала рыхлосвязанной воды, а затем слабосвязанной и прочносвязанной. Выделение первой происходит при температуре до 200°С с относительно большей скоростью, чем слабо- и прочносвязанной воды, вследствие чего на кривой ДТГ появляется первый минимум (Рис. 11.1). Слабо- и прочносвязанная вода также удаляется с неодинаковой скоростью, поэтому на кривой ДТГ при температуре более 200°С наблюдается ряд дополнительных минимумов.

Положение всех этих минимумов соответствует определенным температурам Ts и зависит от начального количества влаги в образце, скорости нагрева образца, энергии активации молекул воды и других факторов.

Рисунок 11.1 Пример термогравитограммы. 1 – кривая изменения температуры во времени (Т); 2 – дифференциально-термическая гравитограмма (ДТГ); 3 – кривая дифференциальнотермического анализа (ДТА); 4 – термогравитационная кривая (ТГ) Кривая ДТГ совместно с кривой ТГ позволяет по характеру изменения массы образца установить потери влаги при нагревании за счет содержания воды энергетически различных типов. Если по кривой ТГ нельзя уловить начало и конец выделения определенного энергетического типа воды, то на кривой ДТГ минимумом отмечается точка, где заканчивается выделение воды одного типа и начинается выделение воды другого типа. Проектируя точки начала и конца выделения воды энергетически определенного типа на кривую ТГ, можно для них получить разницу масс mп1t1 - тп2t2 и тп3t3 - тп4t4, соответствующих массам mв.слсв и тв.прсв выделившейся слабо- или прочносвязанной воды, соответствующих температурам t1- t2 и t3 - t4.

Для определения температуры, при которой заканчивается выделение воды того или иного типа, необходимо провести параллельные оси ординат через точки пересечения температурной кривой (Рис. 11.1) с горизонтальными калибровочными температурными линиями на ось времени Т (ось абсцисс).

Зная коэффициент общей пористости породы и ее плотность, можно рассчитать коэффициенты водонасыщения породы слабо- (Kв.слсв), прочносвязанной (Kв.прсв)и суммарной связанной водой (Kв.в) по формулам:

Kв.слсв=[(mп1t1-mп2t2)/в20][1/Vпор]=[mв.слсвc/в20mcKп][mв.слсвc/mcKп], Kв.прсв=[(mп3t3-mп4t4)/в20][1/Vпор]=[mв.прсв/в20(mc/c)Kп][mв.прсвc/mcKп], Kв.в=[(mп1t1-mп4t4)/в20Vпор]=[mв.св/в20(mc/c)Кп][mв.свc/mcKп], где - в20 – плотность воды при 20оС; Vпор - объем породы; mc - масса скелета;

c - плотность скелета; Kп - коэффициент пористости.

По полученным данным также рассчитываются влагоемкости изучаемой породы — максимально-гигроскопическая:

и гигроскопическая Необходимо отметить, что на точность определения сильно влияют многие факторы и, в первую очередь, теплопроводность и теплоемкость образца, атмосфера внутри печи, состав газов внутри образца, начальное количество влаги в нем, форма держателя пробы и степень заполнения его породой, уплотненность породы, скорость увеличения температуры и т. д.

Кривая ДТА характеризует поглощение либо выделение тепла породой (минимумы и максимумы на кривой) при физических превращениях и химических реакциях, сопровождающихся изменением массы образца.

Сущность метода заключается в измерении разностей температур между исследуемым и эталонным образцами при их одновременном и идентичном нагреве или охлаждении (дифференциальной температуры). В качестве эталонного образца используется инертное вещество с близкими к исследуемому веществу значениями теплоемкости и теплопроводности, которое в исследуемом диапазоне температур не испытывает никаких структурных и фазовых изменений. Таким образом, возникающая при одновременном нагреве или охлаждении исследуемого и эталонного образцов разность температур между ними обусловливается эндо- или экзотермическими превращениями или реакциями в исследуемом образце. С помощью ДТА возможно определять и абсолютные характеристики материала: температуру и энергию активации фазовых превращений, теплоты фазовых превращений.

11.2 Аппаратура, оборудование, материалы Для определения коэффициентов насыщения связанной водой применяется дифференциальная термогравиметрическая установка «Дериватограф» системы Ф. Паулик, Н. Паулик и Д. Эрдей [2].

Принципиальная схема прибора показана на Рис. 11.2. Аппаратура включает аналитические весы 7, печь 5, устройство для регулирования температуры печи по заданной программе, тигли для образца и эталона, систему регистрации скорости изменения массы образца, регулятор напряжения и гальванометрический самописец, работающий по принципу «световой луч — фотобумага». В современных устройствах ток гальванометров преобразуется в цифровой сигнал, и результирующие кривые выводятся в виде графиков на дисплей компьютера и записываются в цифровом виде.

Рис.11.2 Принципиальная схема «Дериватографа». 1 – тигель для образца; 2 – тигель для инертного вещества; 3 – фарфоровая трубка; 4 – термопары; 5 – электрическая печь; 6 – нескручивающийся провод; 7 – весы; 8 – катушка; 9 – магнит; 10 – гальванометр для ДТГ;

11 – гальванометр для измерения температуры; 12 – гальванометр для ДТА; 13 – лампы; – оптическая щель; 15 – цилиндр для фоторегистрации; 16 – фотобумага Электрическая печь прокаливания предназначена для равномерного повышения температуры испытуемого образца породы и эталона. Регулируя напряжение в цепи питания печи, изменяют силу тока нагрева и тем самым температуру в печи.

Регистрирующее устройство установки состоит из барабана 15, приводного механизма, осветительных ламп 13 для нанесения отметок времени на светочувствительную бумагу 16 и штриховального устройства. Светочувствительная бумага закрепляется светонепроницаемой пластинкой с узкой продольной щелью 14.

Перед щелью расположена стеклянная линза, фокусирующая блики гальванометров в плоскости светочувствительной бумаги. Калибровочные весовые и температурные штрихи наносятся на светочувствительную бумагу с помощью шаблона, освещенного штриховальной лампой.

Образец породы и инертное вещество помещают в жаропрочные тигли 1 и 2, которые вводятся в печь на полых фарфоровых трубочках 3. По этим же трубочкам в печь введены термопары 4, спайные точки которых располагаются в испытуемом образце и в инертном веществе. Тигли накрывают кварцевым стаканом для обеспечения равномерности нагрева.

Помещенный в тигель образец породы нагревается, его температура определяются с помощью термопары (помещенной внутри образца) и гальванометра 11, световой луч которого записывает на фотобумаге температурную кривую При помощи системы сопротивлений чувствительность гальванометра можно установить такой, при которой предельное отклонение луча соответствует выбранной температуре нагрева.

Нагрев приводит к уменьшению массы образца в результате потери воды, что изменяет положение освещенной щели коромысла весов. Световой блик от щели в масштабе, увеличенном системой линз, записывает на светочувствительную бумагу термогравиметрическую кривую ТГ.

Чувствительность аналитических весов - 0,2 мг, при этом смещение стрелки весов от 0 делений до 100 соответствует перегрузке в 20 мг. Изменение веса может быть различным и зависит от навески и типа процесса дегидратации и разложения вещества, поэтому чувствительность весов должна регулироваться в широких пределах. Это достигается смещением центра тяжести коромысла весов путем установки калибровочных гирь на призму, прикрепленную к стрелке.

ДТГ-кривая (производная ТГ по времени) получается с помощью приспособления, состоящего из магнита и индукционных катушек.

К коромыслу весов с одной стороны крепится фарфоровая трубочка с платиновым тиглем, в котором находится испытуемый образец, с другой - две индукционные катушки 8, находящиеся напротив полюсов магнита 9. Кривая скорости изменения массы испытуемого вещества ДТГ регистрируется путем измерения силы тока, индуктированного в катушках при их перемещении в поле магнита. Гальванометр 10 измеряет ток, индуцированный в катушках, подвешенных к коромыслу аналитических весов. Противовес позволяет установить фарфоровую трубку в вертикальное положение и одновременно уравновешивает катушку электромагнита.

Гальванометр 12 (ДТА) измеряет разность термо-ЭДС двух термопар с встречным включением, помещенных в тигли с пробой и эталоном. Обычно в качестве инертного вещества эталона используют окись алюминия Аl2О3.

Измерение температур производится градуированным по температуре милливольтметром и чувствительным гальванометром.

Особенности установки «Derivatograf Q 1500»

Общий вид прибора показан на Рис. 11.3. Конструкция прибора позволила присоединить к устройству через специальный блок (поз. 3) компьютер, с помощью которого производится частичное управление работой дериватографа, визуализация процесса измерения и запись результатов в файл с возможностью использования его в различных программах обработки.

Рис. 11.3Общий вид аппаратуры «Derivatograf» 1,2 - блоки питания и регулятора напряжения, 3 – блок связи с компьютером, 4 – блок гальванометров,5 - измерительный блок Основание дериватографа смонтировано на столе (поз. 4), внутри которого расположены светоотражатели бликов гальванометров, барабан фоторегистратора и регистрирующий прибор для записи на светочувствительную бумагу изменений температуры и массы образца.

Специальные весы расположены в левой части корпуса (поз. 5) за перегородкой, защищающей их от нагрева. Аналитические весы с воздушным демпфированием балансира имеют точность 20±0,2 мг при предельном отклонении, рабочий интервал измерения массы — от 10 мг до 10 г (9,999 г).

Скорость нагрева печи (0,620) град/мин. При включении тока нагрева загорается сигнальная лампочка на передней панели измерительного блока (поз. 5). С помощью электромотора, расположенного на основной плите аппарата, печь поднимают с основания до заданной высоты. Во время работы мотора горит сигнальная лампочка.

Две фарфоровые трубочки служат для крепления тиглей, введения в печьтермопар и осуществляют связь с весами. Максимальная температура в печи С. Измерения могут проводиться в атмосфере воздуха и в потоке инертного газа.

Три пары тиглей из тугоплавкого материала (платины или алунда) (Рис. 11.4) различной емкости позволяют исследовать образцы массой от 0,2 г. Тигли подбираются так, чтобы после проведения опыта уровень заполнения их породой был несколько выше середины. На дне каждого тигля имеется выемка для ввода спайной точки термопары.

Дериватограф имеет две печи, что позволяет повысить производительность прибора.

Рис.11.4 Типы кернодержателей «Дериватографа». а – образец породы нанесен тонким слоем (дегидратация происходит с максимальной скоростью); б – образец помещен в низком тигле (дегидратация происходит со средней скоростью); в - образец помещен в высоком тигле (дегидратация происходит с минимальной скоростью) 11.3 Порядок проведения работы 1. Подготовка образца. Исследуемые образцы массой 0,2 г высушивают, затем растирают до размера частиц < 0,5 мм и выдерживают в эксикаторе над парами насыщенного раствора K2SO4 до состояния гигроскопической Wrv (при p/ps 0, или максимально-гигроскопической Wrmaxv (при p/ps 1) влажности (p/ps — относительная упругость пара в эксикаторе).

2. С помощью пускателя подключить всю установку к сети. Включить блок №3 тумблером, расположенным на передней панели, за 40 мин до начала измерений. Включить блок №1 тумблером, расположенным на передней панели. На блоке гальванометра появится световой зайчик.

3. Для обеспечения доступа к тиглям поднять печь, установив переключатель «Вверх—стоп—вниз» в положение «Вверх». Выбрать один из алундовых тиглей в зависимости от массы исследуемого образца, снять кварцевый стакан и установить тигель на фарфоровую трубку. Во втором тигле того же типоразмера должен находиться эталон - порошок инертного вещества (Al2O3).

4. Выбрать чувствительность весов из ряда: 1:20; 1:50; 1:100; 1:1000; 1:2000 с учетом потери массы образца и примерно зная его состав. Чем больше водонасыщенность образца, тем меньше чувствительность весов.

5. Произвести тарировку весов (с пустым тиглем), для чего разарретировать весы, повернув ручку регулятора, расположенную дальней внизу на левой панели блока №5 и уравновесить весы, установив «зайчик» гальванометра в нулевое положение. ВНИМАНИЕ! Фарфоровые трубочки с термопарами не должны касаться стенок отверстий в печи.

6. После окончания тарировки весы арретирровать.

7. Поместить исследуемый образец в выбранный тигель и уравновесить весы стаканчиком с дробью аналогично пп. 5 и 6.

8. Прикрыть термопары и тигли кварцевым стаканом и опустить печь, установив переключатель «Вверх—стоп—вниз» в положение «Вниз».

9. Дезарретировать весы.

10.Повернуть ручку регулятора, расположенную дальней внизу на левой панели блока №5. Включение подтверждается загоранием красной лампочки на передней панели блока.

11.Выждать 5 мин до успокоения весов.

12.Запустить программу «Экохром».

13.Выбрать окна «Конфигурация» «Паспорт» «Параметры анализа». В это окно внести вес пробы, температуру нагрева и диапазон чувствительности весов. Остальные значения – по умолчанию.

14.Вернуться в основное окно и выбрать окно «Анализ» «Запуск» «Имя файла». Заполнить окно и нажать «Enter».

15.Нажать кнопку «ON» на блоке №2 и кнопку синхронизации на блоке №3.

Процесс измерения запущен. Зафиксировать время запуска в рабочей тетради.

16.На экране монитора в 4-х окнах показывается процесс записи измерений, а отклонения «зайчика» весов показывает уменьшение массы образца. Во время измерения фиксируют и записывают в рабочую тетрадь изменение массы образца и интервал времени, прошедший от момента включения нагрева. Частота фиксирования – 5 – 30 мин. в зависимости от скорости потери массы.

17.Во время измерения необходимо вносить коррекцию в параметр «потеря веса – интервал времени», для чего во втором окне нажимать кнопку «Масса» и заносить в соответствующую таблицу записанные данные по изменению массы образца. Кривая в окне должна идти по внесенным точкам. Возможное количество внесения коррекций – 7 раз.

18.При достижении температуры 1000оС эксперимент закончен.

19.Нажать кнопку «Запись» «Исходный файл» и дать имя файлу.

20.Нажать кнопку «Запись- txt» и повторно внести имя файла.

21.В четвертом окне нажать кнопку «Обработка» «Формирование TG». Программа вычисляет ошибку эксперимента. При большой величине погрешности можно откорректировать по показаниям, записанным во время измерения, внеся дополнительные точки на кривую в окне 4. Исправленные значения заносятся в другой файл.

22.Приподнять печь над основанием на 4 - 5 мм для обеспечения равномерного остывания. ВНИМАНИЕ! Полностью открывать печь нельзя, т.к. может лопнуть кварцевый стакан.

23.Отключить установку от сети, выключив блоки 1, 2, 3 и пускатель.

24. Записанные файлы открываются в программе «Excel», строятся графики и определяются массы mв.слсв и mв.прсв слабо- и прочносвязанной воды по кривой ТГ и температуре t 1, t 2, t 3 и t 4 их выделения.

Пример измеренной дериватограммы на компьютеризированном комплексе приведен на Рис. 11.5.

По кривой ДТА, пользуясь справочником, определяют минеральный состав образца.

11.4 Погрешность результатов определений Наибольшая относительная метрологическая погрешность определения коэффициента связанной воды равна:

Из формулы видно, что относительные погрешности kв.св/kв.св тем больше, чем больше относительные погрешности определения массы связанной воды, плотности, массы сухой породы и коэффициента пористости Кп.

Точность измерения массы образца и выделившейся из него воды определяется двумя факторами: точностью приборов и точностью оценки. Точность оценки искомых значений важна только для кривых ТГ и Т, так как кривые ДТГ и ДТА для количественных определений не используются.

Рис.11.5. Пример измеренной и обработанной деривотограммы При наиболее часто применяемой чувствительности в 200 мг точность отсчета по световой линейке составляет ± 0,5 мм, или 0,2 % от массы. Точность измерения массы сухого образца на аналитических весах - 10 -4 г, плотности сухого образца 10 -2 г/см 3, коэффициента общей пористости - ±0,1%. При навеске породы 200 мг плотностью 2,2 г/см3 и общей пористостью 0,2 относительная погрешность:

Основные погрешности расчета коэффициента связанной воды обусловлены погрешностью определения массы выделившейся при нагревании связанной воды по термогравитограмме дериватографа и погрешностью определения коэффициента общей пористости породы.

1. Кобранова В.Н., Извеков Б.И., Пацкевич С.Л., Шварцман М.Д. Определение петрофизических характеристик по образцам. М.: Недра, 1977.

2. Определение петрофизических характеристик по образцам/Под. ред.

В.Н.Дахнова, М.: Недра, 1977. 432 с.

12 Определение содержания естественных радиоактивных элементов в горных породах гамма-спектрометрическим методом 12.1 Теоретические основы Особый интерес для исследования горных пород представляют естественные радиоактивные элементы (ЕРЭ): 40K и ряды Th, U, U с периодами полураспада порядка 107 - 1010 лет. Знание концентраций ЕРЭ породы, находящихся в состоянии радиоактивного равновесия, может дать важную информацию о количестве и качестве глинистых минералов, входящих в горную породу, литологической принадлежности, характере гидродинамических процессов, протекавших при разработке пласта и др.

Принципиально методика [3, 4] определения концентраций ЕРЭ построена на регистрации гамма-излучения, возникающего при распаде ядер ЕРЭ, и последующей обработке полученных данных с использованием метрологического обеспечения метода. По способу регистрации гамма-излучения ЕРЭ различают интегральный и спектрометрический метод. В интегральном гамма-методе регистрируется общее излучение, что упрощает как аппаратурную часть, так и последующую обработку, но не позволяет определять концентрации отдельных ЕРЭ. Спектрометрическая модификация гамма-метода, основанная на регистрации распределения гамма-квантов по энергии (энергетических спектров), требует более сложной аппаратуры и метрологии, но при этом позволяет определять, помимо общей радиоактивности породы, концентрации естественных радиоактивных элементов.

Гамма-спектрометрическая аппаратура позволяет для каждого образца регистрировать спектры ЕРЭ, подобные тому, который показан на Рис. 12.1. Количество регистрирующих каналов, линейно связанных с энергией гамма-квантов, для разных типов аппаратуры различно, но, как правило, составляет 1024.

Рис. 12.1 Энергетический спектр образца, содержащего все ЕРЭ При радиоактивных измерениях концентраций ЕРЭ имеет место принцип аддитивности, т.е. суммарный спектр излучения всех излучателей можно представить в виде суммы спектров каждого отдельного излучателя, так называемых элементарных спектров (Рис. 12.2), с соответствующими весами, которые являются суть концентрациями ЕРЭ:

= SKCK + SThCTh + SUCU, где SK, STh, SU – элементарные спектры калия, тория и урана соответственно, CK,CTh, CU – концентрации калия, тория и урана в исследуемом образце.

Поскольку измеренный спектр представляет собой совокупность скоростей счета в энергетических каналах, для i-го канала можно записать:

i = SKiCK + SThiCTh + SUiCU, где i – номер канала, 1.. n, где n – количество каналов спектрометра. Решение в матричном виде получившейся переопределенной системы линейных алгебраических уравнений:

где – измеренный спектр (вектор-столбец [1,n]); S – элементарные спектры K, Th, U (матрица [3,n]); С – концентрации K,Th,U - можно получить методом наименьших квадратов:

Рис. 12.2 Суммарный спектр ЕРЭ (смесь) и элементарные спектры K, Th, U Элементарные спектры входят в метрологическое обеспечение аппаратуры.

12.2 Описание измерительной установки Измерительная установка профильных измерений концентраций ЕРЭ МКСА «Мультирад» [1, 2] состоит из четырех спектрометрических блоков детекторов (трактов), расположенных в свинцовых экранах и подключенных к ПЭВМ, блока измерения плотности керна, блока управления механизмом подачи керна (привод) и станины с конвейерной лентой для автоматической подачи образцов керна (Рис.

12.3). Каждый сцинтилляционный тракт регистрации гамма-излучения содержит сцинтилляционный блок детектирования на основе кристалла йодистого цезия, усилитель и блок свинцовой защиты от фонового излучения.

Принцип действия установки заключается в получении аппаратных спектров импульсов от детекторов, регистрирующих гамма-излучение образца, экспонируемого в фиксированных условиях измерения на ленте конвейера. Активность радионуклида в исследуемом образце определяется путем обработки полученной спектрограммы с помощью программного обеспечения «ПРОГРЕСС». Пакет программ «ПРОГРЕСС» состоит из набора независимых программ для каждого спектрометрического тракта, объединенных в единой программной оболочке. «ПРОГРЕСС» позволяет управлять работой каждого самостоятельного спектрометрического тракта, анализировать спектрограмму и идентифицировать радионуклиды, определять активность соответствующих нуклидов в образце, рассчитывать погрешность измерения активности и протоколировать результаты измерений.

Рис. 12.3 Схема измерительной установки МКС-01А «Мультирад»

Меню устройства позволяет выбрать одну из стандартных измерительных задач. Каждая задача в соответствии с определенным сценарием управляет измерительными устройствами и двигателем, обрабатывает суммарный спектр и спектры отдельных устройств и заносит результаты измерений в базу данных.

12.3 Проведение измерений Измерения радиоактивности горных пород представленных керном на установке МКС-01А «Мультирад» можно разбить на несколько этапов:

I. Подготовка установки к работе.

II. Проведение калибровочных измерений на метрологическом образце, содержащем изотопы 40К и 137Cs.

III. Измерение общей радиоактивности и концентраций ЕРЭ горных пород.

12.3.1 Подготовка установки к работе Включите компьютер и тумблер питания детекторов в шкафу управления.

Отключите ручной режим управления двигателем.

Прогрейте установку в течение 20 мин.

12.3.2 Проведение калибровочных измерений Проведите энергетическую калибровку спектрометров, для чего следует произвести следующие действия:

- поместить калибровочный источник на ленту транспортера напротив детекторов;

- войти в программу через значок «ПРОГРЕСС» на рабочем столе компьютера. После загрузки программа отображает на экране состояние устройства «GeoScanner»;

- выбрать задачу «Энергетическая калибровка»;

Аппаратура включает регистрацию спектра калибровочного источника на 150 с.

Полученный спектр представляет собой сумму спектров, измеренных всеми детекторами гамма-излучения (Рис. 12.4), и содержит два ярко выраженных пика – Cs и K. В таблице результатов отображаются результаты обработки данного спектра.

Рис. 12.4 Измеренный аппаратурный спектр калибровочного источника Контрольные значения величин, получаемых при энергетической калибровке, указаны в таблице 12. Таблица 12.1 Контрольные значения величин, получаемых при энергетической калибровке установки Устройство считается годным к проведению измерений, если позиции пиков полного поглощения и значение скоростей счета импульсов от контрольного источника (с учетом поправки на распад) не выходят за пределы интервала, указанного в таблице 12.1.

После окончания измерения убрать калибровочный источник.

12.3.3 Измерение общей радиоактивности и концентраций естественных радиоактивных элементов горных пород Для проведения измерений следует произвести следующие действия:

- расположить керн на ленте транспортера в последовательности, соответствующей его позиции в скважине, так, чтобы детекторы оказались над точкой начала измерений (5 см от торца колонки керна);

- создать базу данных - выбрать задачу «Сканирование активности ЕРН»

и ввести значения параметров, определяющих режим измерений и скорость движения транспортера, диаметр колонки керна и справочную информацию;

- установить переключатель направления движения таким образом, чтобы лента транспортера двигалась по направлению к ведущему барабану.

- нажать кнопку «Продолжить».

В процессе измерения программа автоматически проводит обработку спектрограммы в соответствии с выбранным алгоритмом и периодически заносит результаты обработки в журнал.

Результаты измерения фиксируются программой в рабочем журнале. Данные из журнала могут быть представлены как в виде таблиц, так и в виде графических распределений активности по длине керна.

Для просмотра результатов измерений войдите в рабочий журнал (меню - ).

На закладке данные рабочего журнала отображается таблица с результатами измерений.

Для построения графических распределений активности по длине керна можно пользоваться шаблоном «Diagrams.Dot», который находится в одном каталоге с файлом рабочего журнала. Для загрузки данных и построения диаграмм редактором Word дважды щелкните мышью на файле Diagrams.dot.

Для совмещения распределений активности по длине керна с каротажными кривыми можно пользоваться программой «WorkPlace». Результаты измерений могут быть импортированы из рабочего журнала в данные программы при помощи СУБД «Acsses».

1. Методика измерения активности радионуклидов с использованием сцинтилляционного гамма-спектрометра «МУЛЬТИРАД-ГЕО. Менделеево, 2003.

2. Паспорт, техническое описание и руководство по эксплуатации «МУЛЬТИРАД-ГЕО». 3. Пегоев А. Н.Практические приемы обработки данных в прикладной гаммаспектрометрии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

4. Белохин В.С., Калмыков Г.А., Ревва М.Ю. Методика обработки многоканального спектрометрического гамма-каротажа с использованием элементарных спектров. Каротажник №10 - 11, 2004.

13Нейтрон-активацицонный анализ - определение элементного состава Активационный, или радиоактивационный, анализ в геологии применяется для определения концентраций элементов, присутствующих в малых количествах в образцах горных пород. Пределы обнаружения при определении составляют 10-4 – 10Метод основан на регистрации излучений радиоактивных изотопов, возникающих в результате ядерной реакции на определяемом элементе. В качестве активирующих частиц используют гамма-кванты, протоны и др., но наиболее часто – нейтроны. Анализ, при проведении которого используются нейтроны, называется нейтронно-активационным анализом (НАА).

В качестве источников излучения используются атомные реакторы или генераторы нейтронов, создающие плотность потока выше 1014 частиц/с*см2.

Ядра атомов большинства элементов легко поглощают нейтроны, особенно если скорость последних не очень велика. В результате поглощения нейтронов ядрами чаще всего испускаются мгновенные гамма-кванты, такую ядерную реакцию называют радиационным захватом (РЗ) нейтронов и обозначают через (n,). Радиационный захват нейтронов приводит, как правило, к образованию радиоактивных ядер. Иначе говоря, увеличение числа нейтронов в ядре на единицу делает его нестабильным. Рассмотрим процесс на примере измерения концентрации золота [1, 3].

никает радиоактивный изотоп золота 198Au, который с периодом полураспада 2,7 дня распадается по реакции Au(,) Hg, сопровождаемой излучением фотонов с энергией 412 кэВ (Рис. 13.1).

Количество данного радиоактивного изотопа, образующегося в веществе при облучении нейтронами, прямо пропорционально количеству его стабильного предшественника и, следовательно, служит мерой содержания элемента в анализируемом объеме. Например, чем выше концентрация золота, тем больше возникает радиоактивных ядер Au и тем интенсивнее будет гамма-излучение с энергией 412 кэВ.

Важно, что каждый сорт радиоактивных ядер характеризуется собственной энергией гамма-излучения, сопутствующего бета-распаду. Это обеспечивает возможность избирательного определения одного или нескольких элементов. Поэтому зарегистрированный энергетический гамма-спектр содержит информацию о концентрации целого ряда химических элементов. При использовании в качестве детектора полупроводникового кристалла с высокой разрешающей способностью зарегистрированный спектр получается линейчатым, как показано на Рис. 13.2.

Рис. 13.1 Схема активации и распада изотопов золота В результате облучения образца в нем накапливаются активированные ядра, число которых пропорционально плотности потока бомбардирующих частиц Ф, сечению реакции, количеству стабильного изотопа анализируемого элемента в облучаемой пробе Nx.

Но одновременно начинается процесс распада, который зависит от периода полураспада T1/2 [2]:

где – величина, обратная среднему времени жизни данного элемента.

Рис. 13.2 Пример определения элементного состава образца по спектрам гамма-излучения Скорость накопления радионуклида dN/dt во время облучения исследуемой пробы можно описать дифференциальным уравнением:

где ФNx — скорость образования радиоактивных ядер в пробе, N — скорость их распада.

Интегрируя уравнение (13.2) и используя соотношение (13.1), получим выражение для вычисления активности радионуклида, накопившегося в пробе за время облучения А:

где N — количество накопившихся радиоактивных ядер; tобл — время облучения.

Если время облучения намного больше периода полураспада tобл>>(8–10)Т1/2, то экспоненциальное слагаемое в (13.3) пренебрежимо мало по сравнению с единицей, и тогда Активность Ato называется активностью насыщения, или равновесной активностью.

После облучения некоторое время затрачивается на транспортировку пробы к установке детектирования, или проба специально выдерживается для распада мешающих анализу более короткоживущих продуктов ядерных реакций. В результате распада активность определяемых радионуклидов тоже уменьшается в соответствии с выражением (13.2):

где Aвыд — активность определяемого нуклида после выдержки; tвыд — время между концом облучения и началом измерения активности.

Вывод уравнения (13.3) сделан без учета уменьшения количества («выгорания») исследуемых стабильных ядер Nx в пробе при облучении, поскольку «выгорание» незначительно и заметно только для изотопов с большим сечением взаимодействия и при длительном облучении. Было также предположено, что плотность потока активирующих частиц во время облучения не меняется.

Активность определяемого нуклида после выдержки пропорциональна количеству импульсов в его пике/пиках зарегистрированного спектра (Рис. 13.2). Как видно их рисунка, кроме пика определяемого элемента (в данном случае Au), в спектре имеются линии других элементов, поэтому в результате, как правило, определяются концентрации не одного, а более двух десятков элементов.

Количество зарегистрированных в процессе анализа импульсов с учетом уменьшения активности во время измерения выражается следующим соотношением:

где mx — масса определяемого элемента в пробе, Y — относительная распространенность изотопа, — квантовый выход излучения, — эффективность регистрации излучения данного вида, tизм — время измерения.

Используя выражения (13.7) или (13.6), по измеренным значениям А вычисляют содержание исследуемого элемента mx в пробе. Заметим, что из последнего уравнения (13.7) следует, что с увеличением периода полураспада уменьшается число полезных зарегистрированных сигналов. Следовательно, экспрессность анализа будет выше при анализе проб по короткоживущим радионуклидам.

Приведенный метод определения содержания элемента по активности накопившегося радионуклида без привлечения эталона называется абсолютным методом. Однако в этом случае необходимо знать плотность потока и энергию бомбардирующих частиц.

Указанные выше трудности отсутствуют в относительном методе, при котором одновременно с анализируемой пробой облучается эталон с точно известным количеством определяемого элемента. Наведенные активности эталона и пробы измеряют в одинаковых условиях, а содержание определяемого элемента вычисляют из Аэ — активность пробы и эталона соответственно.

Исследование без разрушения образцов называют инструментальным активационным анализом.

Если при облучении пробы получается сложная смесь радионуклидов и ее невозможно расшифровать из-за совпадения или наложения близких по энергии гамма-квантов, то облученную пробу растворяют, проводят радиохимически чистое выделение отдельных элементов или группы элементов и затем по измеренной активности радионуклидов рассчитывают содержание элементов. Такой вариант называется активационным анализом с радиохимическим разделением.

Разработан также ряд вариантов, в которых сочетаются техника активационного анализа и метод изотопного разбавления. Например, в безэталонном варианте облученный образец растворяют, разделяют на две равные части mx1 и mx2. Далее к части mx1 добавляют известное количество стабильного носителя m0 и затем из обеих частей mx1 + m0 и mx2 выделяют одинаковые количества определяемого элемента m, проводят измерения и вычисляют неизвестное содержание определяемого элемента:

Так как mx = mx1 + mx2 и mx1 = mx2, то где А — активность радионуклида в пробе; Ax1 и Ax2 — активность проб, взятых из первой и второй половин раствора пробы соответственно; mx — неизвестная масса определяемого элемента в пробе.

К числу достоинств метода НАА относятся: высокая чувствительность, независимость результатов измерения от химического свойств элементов, возможность определения содержания большого числа элементов (более 25) из одной навески пробы, возможность анализа маленьких (от нескольких миллиграммов) навесок образца, высокая производительность.

Нейтронно-активационный анализ может проводиться без разрушения образца, что особенно ценно при исследовании уникальных объектов.

По сравнению с другими аналитическими методами в нейтронноактивационном анализе намного меньшее влияние так называемого «матричного эффекта». Это означает, что на определение примесных элементов практически не сказываются элементы, составляющие основу вещества. Иными словами, нейтронно-активационному методу доступно измерение содержания микроэлементов в самых разнообразных материалах.

К числу недостатков можно отнести необходимость работы с мощными источниками нейтронов, низкую чувствительность метода при определении содержания ряда элементов (Zr, Nb, Sn, Te, Tl, Bi), значительную продолжительность времени для анализа, наведенную радиоактивность после облучения - необходимость защиты от излучений.

1. Маслов И.А., Лукницкий В.А. Справочник по нейтронно-активационному анализу. Л.: Наука, 1971. 312 с.

2. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. Киев,: Наукова думка, 1975. с. 390 – 393.

3. Сайт www.phys.rsu.ru 14 Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА) в геологии используется для определения концентраций элементов в образцах горных пород. Количество одновременно измеряемых элементов в рентгеноспектральном флуоресцентном анализе (около 10 - 15 элементов) несколько меньше, чем в нейтронноактивационном анализе. Пределы обнаружения элементов для данного вида анализа сходны с таковыми для НАА и составляют 10-4 - 10-5% [1]. Диапазон определяемых элементов и границы их обнаружения в РФА зависят от используемой аппаратуры. В общем случае, в область определяемых входят элементы от бора до урана включительно. Граница обнаружения зависит от атомного номера элемента, например, для фосфора граница обнаружения составляет 0,01%, для элементов начала ванадиевого периода оценивается в 0,0002% [4]. С помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра можно определять как очень низкие концентрации, так и очень большие вплоть до 100 % без разбавления пробы.

Метод основан на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце.

Облучение фотонами высокой энергии атомов образца вызывает испускание электронов, которые покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбитах образуются «дырки» - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильными. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию, когда вакансии заполняются электронами из внешних орбит. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона - этот эффект и называется «флуоресценция»'. Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением.

Различные электронные орбиты обозначаются K, L, M и.т.д., где К - орбита, ближайшая к ядру. Каждой орбите электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбит, между которыми произошел переход электрона (Рис. 14.1).

Рис. 14.1 Характеристические линии рентгеновского спектра Длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества - определения количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца. [3] Источником возбуждающего (первичного) излучения высокой энергии является рентгеновская трубка, питаемая генератором высокого напряжения. Механизм возникновения первичного излучения в трубке похож на механизм флуоресценции, за исключением того, что возбуждение материала анода трубки происходит при его бомбардировке электронами высоких энергий, а не рентгеновским излучением, как при флуоресценции. Спектральный состав излучения трубки зависит от выбора материала анода. Для большинства областей применения оптимальным является родиевый анод, хотя другие материалы, например молибден, хром или золото, могут быть предпочтительнее в определенных случаях.

При проведении анализа все элементы, присутствующие в образце, одновременно излучают фотоны характеристической флуоресценции. Для изучения концентрации какого-либо элемента в образце необходимо из общего потока излучения, поступающего от пробы, выделить излучение такой длины волны, которая является характеристической для исследуемого элемента. Это достигается разложением суммарного потока излучения, поступающего от пробы, по длинам волн и получением аппаратурного спектра - зависимости интенсивности излучения от длины волны.

Для разложения излучения в спектр (выделения различных длин волн) используются кристалл-анализаторы с плоскостями, параллельными поверхности и имеющими известное межплоскостное расстояние d.

При падении на кристалл под углом излучения с длиной волны и условии, что расстояния, проходимые фотонами при отражении от соседних кристаллических плоскостей, отличаются на целое число (n) длин волн, возникнет дифракция. С изменением угла при вращении кристалла по отношению к потоку излучения дифракция будет возникать последовательно для различных длин волн в соответствии с законом Брэгга:

Угловое положение () кристалла-анализатора задается прибором в зависимости от длины волны, которую нужно выделить из спектра для анализа требуемого элемента. Выделенное излучение поступает в детектор рентгеновского излучения для измерения интенсивности.

На Рис. 14.2 показан вид измеренного спектра с линией К железа. По оси абсцисс отложен угол 2, который является функцией от длины волны согласно (14.1). Основой качественного анализа является присутствие или отсутствие линий характеристического излучения элемента в спектре пробы. Элемент считается присутствующим в образце в том случае, когда в спектре обнаружены как минимум две линии его характеристического излучения. Обнаружение линий элементов проводится путем нахождения длин волн пиков спектра и поиска найденных значений в базе данных рентгеновских линий.

Математическая обработка спектра позволяет проводить количественный и качественный анализ.

Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества помещаются в специальные чашки. Для проведения качественного и полуколичественного анализа требования подготовки образца минимальные. Часто образец может быть помещен в держатель спектрометра без какой-либо подготовки.

Рис. 14.2 Вид рентгенофлуоресцентного спектра Основным требованием для проведения точного и воспроизводимого анализа является плоская, однородная по составу и чистая поверхность пробы.

При количественном анализе образцов сложного состава главной проблемой является то, что зарегистрированная спектрометром интенсивность аналитической линии не зависит линейно от концентрации определяемого элемента. Такая нелинейность – следствие взаимодействия излучения аналитической линии с атомами элементов, составляющих образец (матричные эффекты). Матричные эффекты значительно снижают точность количественного анализа, поэтому для их учета используют различные способы коррекции интенсивности аналитических линий [5].

Достоинствами метода РСФА являются:

Высокая точность измерений.

Широкий диапазон определяемых концентраций.

Большое количество определяемых элементов.

Возможность одновременного определения ряда элементов.

Отсутствие ограничений по физическим свойствам и химическому составу объекта исследования.

Высокие производительность и экспрессность: время, необходимое для выполнения анализа (в зависимости от типа прибора, количества определяемых элементов и требований к точности анализа), измеряется минутами или даже Отсутствие необходимости в облучении образцов нейтронами, что делает его сравнительно дешевым, доступным и безопасным.

К числу недостатков РФСА можно отнести:

Меньшее количество одновременно измеряемых элементов (около 10-15 элементов), чем в НАА.

Малая представительность пробы (измерения производятся в тонком слое, толщиной в несколько молекулярных слоев).

Большая вероятность ошибок пробоотбора.

Требование гомогенности образца.

1. Бахтиаров А.В. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ в геологии и геохимии. Л.: Недра, 1985. 144 с.

2. Гуничева Т.Н. Недеструктивный рентгенофлуоресцентный анализ почв // Научная мысль Кавказа. 2000. № 1 (6) (приложение). С. 7-15.

3. Павлинский Г.В. Основы физики рентгеновского излучения. Иркутск, 1999.

166 с.

4. Ревенко А.Г. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ природнных материалов. Новосибирск: Наука, 1994. 264 с.

5. Финкельштейн А.Л., Гуничева Т.Н., Афонин В.П. Учет матричных эффектов методом -коррекции при рентгенофлуоресцентном силикатном анализе // Журн.

аналит. химии, 1984. Т. 39. Вып. 3. С. 397-404.

15 Изучение воздействия технологических жидкостей на ФЕС пород при вскрытии и обработке пласта На тех участках пласта, которые расположены вблизи ствола скважины или в прискважинной области, наблюдается существенное изменение его физических свойств. Согласно общепринятым представлениям, ухудшение фильтрационных свойств пласта в этой области приводит к снижению продуктивности, нефтегазоотдачи, неравномерной выработке запасов и имеет определяющее значение при выделении коллекторов и оценке их параметров по данным ГИС. Достаточно отметить, что около 50% скважин в Западной Сибири и других регионах имеет коэффициент продуктивности в два раза ниже потенциального, 25% - в четыре раза и 10% - в десять раз.

Изменения коллекторов в прискважинной области определяются их исходными свойствами и воздействиями на пласты в процессе их вскрытия и опробования.

Наибольшую роль играют репрессия на пласты и применение в качестве промывочной жидкости глинистых растворов, полидисперсных систем, дисперсной фазой которой являются глинистые частицы.

Участок измененных пород, образовавшихся под влиянием глинистого раствора в результате нарушения равновесия в системе «скважина - пласт» при бурении, имеет строение, близкое к концентрически-зональному. Он состоит из зон с различными физическими свойствами.

Вдоль стенок скважины расположена глинистая корка, далее зона кальматации и зона внедрения фильтрата глинистого раствора (зона проникновения), которая состоит из двух подзон: промытой и переходной. Конфигурация и размеры зон непостоянны. Практически концентрическая форма их проявляется при разбуривании пластов. После крепления скважин трубами наблюдается частичное расформирование зон: на одних участках они увеличиваются, на других – исчезают при перфорации и операциях, связанных с вызовом притока. Но полного восстановления природного равновесия не происходит, и участки необратимых изменений физических свойств пласта остаются.

Глинистая корка имеет толщину от первых миллиметров до первых сантиметров, которая возрастает в коллекторах с ростом проницаемости (Кпр). При Кпр = 0, мкм2 она достигает максимальной величины. При разбуривании пласта корка играет положительную роль: препятствует проникновению в породы фильтрата бурового раствора и усиливает устойчивость стенок скважины. Корка обладает высоким фильтрационным сопротивлением, но периодически при бурении во время проработки ствола скважины и спускоподъемных операциях, а также при перфорации и вызове притока она разрушается (Рис. 15.1).

Зона кольматации (глубина от 1,5-4 до 20-40 мм) представляет собой прискважинную часть пласта, породы которого закупорены полностью или частично за счет проникшей дисперсной фазы промывочной жидкости. Зона кольматации формируется в течение 3 - 15 мин. В Западной Сибири эта зона иногда разделяется на две подзоны: фильтрационную и внутреннюю корки, которые создают гидравлическое сопротивление флюиду, движущемуся из неизмененной части пласта к стволу скважины. Фильтрационное сопротивление зоны кольматации на 1 - 2 порядка выше, чем глинистой корки. При перфорации и испытаниях скважин она частично разрушается и усложняется. Максимальная глубина зоны отмечена при перепаде давления в системе «скважина - пласт» от 2,5 до 4 МПа в коллекторах с высокой проницаемостью. С существованием в прискважинной области зоны кольматации связано значительное снижение фильтрационно-емкостных свойств пласта и продуктивности скважин. Интенсивность изменения коллекторов при взаимодействии их с дисперсной фазой промывочной жидкости определяется как характеристикой пород, свойствами коллекторов, размером пор, их формой, особенностями поровых и пластовых флюидов, термобарическими параметрами, так и составом, фильтрационными и коркообразующими характеристиками бурового раствора.

Рис. 15.1 Экспериментальное определение давления прорыва глинистой корки На физические свойства зоны кольматации существенное влияние оказывает природа дисперсионного материала. Осевшая в породе твердая фаза не только приводит к механическому закупориванию пор, но и вступает в физико-химическое взаимодействие с минералами стенок пор.

Зона проникновения характеризуется тем, что дисперсионная среда в виде фильтрата промывочной жидкости, проникая в пласт значительно дальше от стенки скважины, чем твердые частицы, приводит к изменению водонасыщенности, минерализации, удельного электрического сопротивления, коллекторских параметров и других физических свойств пласта. В зависимости от строения околоскважинного пространства, свойств пород-коллекторов и промывочной жидкости размеры зон проникновения изменяются от первых сантиметров до 6 м, составляя в среднем 1, м, и оцениваются соотношением их диаметра к диаметру скважины. При неглубоком проникновении фильтрата поперечные размеры зоны составляют 4 - 6 диаметров скважины, что соответствует 0,5 - 0,6 м, при значительном проникновении – 8 - диаметров и более. Свойства этой зоны необходимо учитывать при интерпретации результатов ГИС.

При значительной глубине проникновения фильтрата промывочной жидкости учитывать его воздействие на результаты определения характеристик пласта невозможно, т.к. это приводит к ошибкам в интерпретации результатов ГИС и пропуску продуктивных пластов. Знак и величина ошибок определяются по ГИС соотношениями значений удельного электрического сопротивления фильтрата бурового раствора, пластовой связанной воды и средней водонасыщенности в зоне проникновения и в незатронутой проникновением части пласта. Но точность этой оценки низка, поскольку при проникновении фильтрата в продуктивный пласт происходит изменение его водонасыщенности, минерального состава остаточной воды и структуры порового пространства за счет гидратации глинистого материала и осаждения нерастворимых продуктов минеральных превращений, которые пока не учитываются.

Размеры зон проникновения зависят от особенностей промывочной жидкости.

Диаметры зон в пластах, сходных по составу и строению, при вскрытии на глинистом растворе, составляют 1,7 м, а на безглинистом - от 0,1 - 0,5 до 4,2 м при времени воздействия от 7 до 30 суток. Время расформирования зоны проникновения и восстановления продуктивности скважин находится в пределах от полугода до 5 - 6 лет и более.

Переходные зоны в районах флюидных контактов очень резко различаются по способности проникновения в них фильтрата бурового раствора. В одних случаях инфильтрация отсутствует, в других она характеризуется десятками диаметров скважин.

Система зон околоствольного изменения коллекторских параметров фиксируется методами ГИС. Масштабы изменений свойств коллекторов в зонах кальматации и проникновения оперативно оцениваются с помощью методов зондирования с различной глубиной исследований. Зона кальматации и промытая зона характеризуются по показаниям микрометодов, глинистая корка - кавернометрией и коркометрией, зона проникновения - микрозондами БКЗ совместно с БКЗ.

Характеристики пластов в прискважинной области традиционно используются для выделения и оценки коллекторов при подсчете запасов, контроле за обводнением пластов, при определении влияния этой области на продуктивность скважин и нефтеотдачу коллекторов. Но в связи с образованием глубоких зон проникновения при проводке скважин не только снижаются коллекторские свойства пластов, но и появляются трудности в выделении коллекторов методами ГИС, особенно в пластах малой мощности, так как геофизические данные не содержат необходимой информации о неизмененной части пласта.

Существует ряд методов, позволяющих оценить техногенные изменения прискважинной области, а значит, качество и эффективность вскрытия пласта. Их можно разделить на количественные и качественные. В основе количественных методов лежат данные сравнительного анализа проницаемости, гидропроводности или продуктивности удаленной и прискважинной зон пласта. Они позволяют дифференцированно оценить влияние каждой из зон прискважинной области на процесс фильтрации. Для определения параметров, входящих в расчетные формулы, используют лабораторное моделирование, промысловые данные, результаты гидродинамических, промыслово-геофизических исследований скважин.

Качественные методы применяют в том случае, когда недостаточно данных для количественной оценки техногенных изменений свойств коллекторов и продуктивности скважин. Они основаны на сравнительной оценке установленных параметров пласта.

Одним из возможных воздействий на пласт в процессе его разработки является обработка органическими и неорганическими кислотами.

Приведем пример влияния растворов соляной кислоты на крустификационный хлоритовый цемент терригенных коллекторов 15.2а и на ФЕС соответствующих коллекторов.

Основанием для эксперимента послужило то, что ранее при подготовке проб глинистой фракции песчано-алевритовых коллекторов для рентгеноструктурного анализа был установлен факт растворения значительного количества хлоритовых минералов при обработке 3% соляной кислотой (Ушатинский, Зарипов, 1970). Содержание хлорита в необработанной HCl части одной и той же пробы оказывалось всегда значительно выше, чем в обработанной.