Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках отчётного периода научный коллектив исследовал целевую коллекцию образцов пород баженовской свиты (БС), предоставленную индустриальным партнёром Сколтеха, который в настоящее время ведёт активные опытно-промышленные работы на нескольких объектах в интервале БС, применяя самые передовые методы для строительства скважин и стимуляции притоков в них. Целевая коллекция состояла из 24 образцов пород, отобранных из 3 скважин 3 различных месторождений Западной Сибири, располагающихся в южной части Нижневартовского свода, к северу от Нижневартовского свода и в пределах Юганской мегавпадины. Расстояние между месторождениями составляет от 80 км до 300÷400 км. Глубины отбора образцов выбирались силами индустриального партнёра из интервала залегания пород БС на основании тщательного анализа данных стандартного и специального комплекса геофизических исследований скважин. Таким образом, каждый образец отбирался из интервала с максимальной водонасыщенностью специально для анализа воды. Физически каждый образец представлял собой изолированный (герметизированный) от воздействия окружающей среды фрагмент полноразмерного керна (Ø 80÷100 мм). Методика изоляции образцов позволила сохранить большую долю исходных флюидов, включая воду, до непосредственного анализа образца. В целом научный коллектив уделил пристальное внимание системе отбора образцов и сделал попытку выйти на уровень крупной части баженовского палеобассейна с исследованием образцов из контрастных геологических условий и покрытием по глубине (разрезу). В соответствии с планом работ за отчётный период реализации проекта научному коллективу удалось выполнить все заявленные работы, а именно: 1) провести изучение отечественных и зарубежных литературных материалов существующих прямых и косвенных методов выделения неизменных поровых вод из слабопроницаемых сланцевых пород; 2) отработать методику экспериментального изучения количества различных типов воды для образцов пород БС; 3) провести минералогический анализ пород и глинистой фракции; 4) отработать методику определения состава обменных катионов и ёмкости катионного обмена (ЕКО) пород. В результате изучения отечественных и зарубежных литературных материалов удалось выделить ведущие прямые и косвенные методы определения содержания различных типов поровых вод слабопроницаемых сланцевых пород. В ходе проведённого литературного обзора было установлено, что на сегодняшний день в мировой практике активно используют два способа определения количества остаточной воды — так называемый «метод GRI», который в основном представляет собой экстракцию на аппарате Дина Старка (рекомендуемая практика API 40) или Закса и метод реторты (также описанный в стандарте API для обычных пород и в работе для сланцевых коллекторов), который представляет собой экстракцию флюида путём последовательного нагревания образца при атмосферном давлении. В ряде работ отмечается, что эти два метода дают разные результаты для одного типа пород. Для изучения количества физически и химически связанной воды используются дериватографические исследования образца с ИК-фурье спектроскопией. Работы по определению различных типов воды были выполнены на фрагментах полноразмерного керна БС 3-х различных месторождений нижневартовского свода Западной Сибири. Перед началом исследований образцы пород были вскрыты, освобождены от парафина и плёнки, расколоты и в тот же день расфасованы на анализы. Для исключения влияния на результаты определений бурового раствора, корка которого видна по краям керна, образцы породы на анализы отбирались из центральной части образца. Оставшаяся часть образцов помещалась в герметично закрывающиеся пластиковые пробирки, стык крышки и пробирки проклеивался клейкой лентой для минимизации поступления воздуха. Далее пробирка упаковывалась в один, а следом и в другой пластиковые пакеты с двойной застёжкой zip-lock и помещалась в стеклянные банки с плотной крышкой. В таком герметично упакованном виде вскрытые образцы пород хранились в термостате в ожидании своей очереди на анализ. Количество химически связанной воды определялось дериватографией образца с ИК-фурье спектроскопией на синхронном термическом анализаторе, совмещённом с Фурье-ИК спектрометром, с последующей интерпретацией результатов на основе данных рентгенофазового анализа и пиролитических исследований. Для исследования содержания остаточной и свободной воды в образцах пород БС были использованы прямые методы — метод испарения и экстракционно-дистилляционный метод (метод Закса). Метод испарения предусматривает нагрев образца в закрытой кювете до высокой температуры, обеспечивающей испарение из образца воды, пары которой затем конденсируются и собираются в мерной пробирке. До начала исследований была проведена калибровка кювет в 3 этапа и определён диапазон ошибок метода испарения в зависимости от содержания воды, а затем уже выполнялось непосредственное измерение водосодержания на образцах пород БС целевой коллекции. В ходе эксперимента по определению водосодержания образцов пород БС были выполнены одноступенчатый прогрев при 205 °С для определения остаточного водосодержания (суммы свободной и большей части физически связанной воды) и двуступенчатый последовательный прогрев — при 105 °С и 250 °С, что дало возможность оценить содержание свободной воды. В результате обработки данных метода РФА для каждого образца целевой коллекции были получены таблицы массовых содержаний кристаллической составляющей по следующим минералам: смешаннослойные минералы, гидрослюда, хлорит, каолинит, кварц, калиевые полевые шпаты (КПШ), плагиоклаз, кальцит, доломит, сидерит, апатит, пирит. Экспериментальное определение количества органического вещества, стадии катагенеза (степени преобразованности или «зрелости» органического вещества) керогена выполнено на целевой коллекции образцов выполнялось по методу Rock-Eval (термолитический метод ступенчатого нагревания в инертной среде измельчённого образца породы, содержащей органическое вещество, имитирующий каталитическое созревание органики в осадочных отложениях). Использование метода вытеснения хлоридом бария обменных катионов пород БС привело к получению неудовлетворительных заниженных значений ЕКО (от 0,00 до 8,67 мг-экв/100 г породы при присутствии в разрезе глинистых минералов массовой долей до 30 % и органического вещества) и поискам альтернативных методов анализа, что и было сделано в отчётный период реализации проекта. За отчётный период было опробовано два альтернативных метода определения ЕКО — метод вытеснения хлоридом аммония и метод Пфеффера. В результате установлено, что использование метода вытеснения хлоридом аммония приводит к растворению карбонатных минералов и как следствие завышению значение ЕКО. В то время как метод Пфеффера позволил получить удовлетворительные результаты. В отчётном периоде научным коллективом достигнуты следующие конкретные научные результаты: 1) сделан обзор современных методов анализа и результатов определения водонасыщенности, ёмкости катионного обмена и составе обменных катионов слабопроницаемых нефтесодержащих сланцевых пород по данным отечественных и зарубежных источников литературы за последние 40 лет; 2) отработанна методика комплексного анализа водосодержания пород БС и массив экспериментальных данных по количественному содержанию свободной, физически и химически связанной воды для целевой коллекции образцов пород БС; 3) сделана типизация целевой коллекции образцов пород БС на основании химического и минералогического анализа валового образца и глинистой фракции с выделением основных литотипов; 4) определены содержание и природа свободной и связанной воды в исследованной коллекции образцов пород БС; 5) определены распределение обменных катионов и их количество в обменном комплексе пород; 6) исследованы связи измеренных значений водосодержания и ЕКО с минералогическим составом целевой коллекции образцов пород БС; 7) получены результаты экспериментального определение стадии катагенеза (степени преобразованности или «зрелости» органического вещества) керогена в целевой коллекции образцов пород БС; 8) выявлены механизмы и рассчитаны реакции поступления компонентов в поровые воды; созданы первые модели взаимодействия между породой и поровыми водами. За отчётный период реализации проекта было выполнено изучение и анализ опубликованных российских и зарубежных работ (более 150) по проблеме определения водонасыщенности, ЕКО и составе обменных катионов слабопроницаемых нефтесодержащих сланцевых пород. Результаты данного анализа помогли выбрать ведущие и оптимальные методы для исследования образцов пород БС в рамках задач проекта. За отчётный период в ходе экспериментальных исследований удалось впервые отработать методику комплексного анализа водосодержания пород БС и получить массив экспериментальных данных по количественному содержанию свободной, остаточной и химически связанной воды для целевой коллекции образцов пород БС. Методика основана на комплексной интерпретации результатов следующих методов анализа: метод дериватографии с ИК-Фурье спектроскопией (определение количества химически связанной воды); метод испарения (определение количества остаточной и свободной воды); определение ёмкости катионного обмена (ЕКО) и состав обменных катионов (например, методом Пфеффера); рентгенофазовый анализ минеральных фаз валового образца и глинистой фракции; пиролиз по методике RockEval (определение количества, качества и степени зрелости органического вещества). Типизация целевой коллекции образцов пород БС выполнялась по данным рентгенофазового анализа (РФА). Валовый минеральный состав (только кристаллическая часть) образцов пород БС целевой коллекции представлен (в порядке убывания средней массовой доли): силикатной частью (кварцем) 40÷83 мас. %; глинистыми минералами 6÷35 мас. %; плагиоклазом 1÷21 мас. %; пиритом 0÷13 мас. %; КПШ 0÷13 мас. %; кальцитом 0÷28 мас. %; доломитом 0÷7 мас. %; апатитом 0÷6 мас. %; сидеритом 0÷3 мас. %. В целом установлено, что целевая коллекция образцов пород БС с учётом погрешности метода РФА является в целом однородной за исключением нескольких образцов. Типизация целевой коллекции образцов пород БС выполнялась по двум разным классификациям: классификации sCore, предложенной геологами сланцевых из компании Schlumberger (США) для описания качества коллектора и качество заканчивания в органогенных сланцах, и целевой вещественно-генетической классификации пород БС для месторождений центральной части Западной Сибири, предложенной исследовательской группой компании Газпром нефть (РФ). Исследованная коллекция образцов пород БС по классификации sCore в целом классифицируется как кремнисто-глинисто-карбонатная (в порядке убывания доли) и представлена следующими литологическими типами: литотип с преобладанием кремния, кремнистый аргиллит с большим содержанием глины, смешанный кремнистый аргиллит. Единичные образцы характеризуются как смешанный аргиллит и кремнистый аргиллит с большим содержанием карбонатных минералов. Исследованная коллекция образцов пород БС по вещественно-генетической классификации пород в целом классифицируется несколькими вещественными типами пород: III (кремнистые разности), III-T (глинисто-кремнистые разности), IV-S (кремнистые микститы) и один образец IV (микститы). В результате исследования установлено, что целевая коллекция образцов пород БС по данным РФА и классификациям sCore и Газпром нефть представлена в основном кремнистыми и глинисто-кремнистыми разностями. С помощью методики комплексного анализа водосодержания удалось количественно оценить содержание и предположить природу свободной и связанной воды в образцах пород БС. Определено, что исследованные образцы пород БС содержат свободную, физически связанную и химически связанную воду. С помощью метода испарения было измерено, что остаточное водосодержание (свободная и часть физически связанной воды) в образцах БС составляет 0,05÷2,34 мас. %, при этом в 4-х образцах не было обнаружено содержание свободной воды, в остальных же её количество изменяется от 0,24 до 1,87 мас. %. Ориентировочное содержание физически связанной воды было вычислено с помощью расчётного косвенного метода, вычитая из общего количества остаточной воды в образце содержание свободной воды. Минимальное содержание физически связанной воды изменяется от 0 до 1,12 мас. %. Измеренное содержание химически связанной воды составляет 0,43÷10,48 мас. %. Получается, что для большинства образцов содержание химически связанной воды значительно превосходит содержание свободной и физически связанной воды в исследуемых образцах БС. В ходе анализа полученных данных, была установлена связь между содержанием остаточной воды и глинистыми минералами — уменьшение количества последних приводит к снижению водосодержания. Установлено, что остаточная поровая вода является водой глин и может носить захороненную седиментационную природу, однако, для уточнения этого необходимо как минимум провести её химический анализ, что и планируется выполнить в следующий отчётный период реализации проекта. Изучение распределения обменных катионов и их количество в обменном комплексе пород было выполнено с помощью метода Пфеффера. В катионном составе обменного комплекса исследуемых пород преобладает натрий, далее в некоторых образцах на второе место выходит кальций, а в некоторых магний. Валовое значение ЕКО, полученное как сумма концентраций всех обнаруженных катионов в его составе, изменяется от 5,00 до 16,00 мг-экв/100 г породы. В целом, полученные значения согласуются с величинами ЕКО сланцевых пород формации Bakken (5,4÷10,5 мг-экв/100 г породы), формации Monterey (до 14 мг-экв/100 г породы), формации Haynesville (от 2 до 4 мг-экв/100 г породы), которые являются зарубежными аналогами БС. Рассмотрены связи измеренных значений водосодержания и ЕКО с минералогическим составом целевой коллекции образцов пород БС. В частности, обнаружено, что количество остаточной и свободной воды соотносится с количеством глинистых минералов. В целом, уменьшение содержания глинистых минералов приводит к снижению водосодержания. Кроме того, была выявлена слабая связь между содержанием остаточной воды и количеством керогена в образцах пород БС. Таким образом, экспериментально показано, что остаточная поровая вода является водой глин и не зависит от содержания керогена. По результатам анализа массива определяемых величин и расчётных геохимических параметров для каждого образца была определена стадия катагенеза (степень преобразованности или «зрелости» органического вещества) керогена. Установлено, что целевая коллекция образцов пород БС по комплексу методов характеризуется широким диапазоном стадий катагенеза (степени преобразованности или «зрелости» органического вещества) керогена: от ПК3 (зона незрелого керогена) до MK3 (главная зона нефтеобразования или «нефтяного окна») для абсолютного большинства исследованных образцов. При реализации проекта для выявления механизмов поступления компонентов в поровые воды и создания первых моделей взаимодействия между породой и поровыми водами был использован косвенный метод водных вытяжек, модифицированный с учётом особенностей отложений БС, а также термодинамические расчёты. Выполнено экспериментальное сравнение двух методов исследования состава поровых вод — метод прямого анализа выделенного порового раствора и косвенный метод водных вытяжек, с целью показать возможность и достоверность использования последнего для анализа состава высокоминерализованных поровых растворов. В результате удалось экспериментально показать, что концентрации ионов хлора, натрия и брома можно вычислять довольно достоверно по результатам анализов водных вытяжек с учётом естественной влажности. Известно, что в глубинных водах содержание хлоридов и натрия обычно значительно превалирует, соответственно таким простым путём можно получить данные о минерализации поровых растворов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчётный период реализации проекта выполнены следующие работы. 1) Отработка методики экспериментального определения физически связанной воды в образцах пород баженовской свиты (БС). 2) Определение ёмкости катионного обмена (ЕКО) и состава обменных катионов образцов пород БС методом вытеснения гексамином кобальтом трихлоридом по ISO 2347; сравнение полученных данных с имеющимися результатами альтернативного метода Пфеффера и выбор наиболее оптимального подхода для анализа ЕКО пород БС. 3) Отработка методики оценки минерализации и состава поровой воды для образцов пород БС. 4) Построение термодинамической модели для расчёта равновесного состава порового раствора в системе «вода–органическое вещество–порода» на основании имеющихся экспериментальных данных. 5) Совместная интерпретация полученных лабораторных результатов количественных и качественных анализов воды и породы по глубине скважин. 6) Сопоставление результатов по водосодержанию с данными геофизических исследований по разрезу скважины и исследование возможности оценки водосодержания напрямую через эмпирическую связь (без применения модели электропроводности). 7) Анализ применимости стандартных петрофизических моделей электропроводности горных пород к породам БС и обоснованный выбор одной или нескольких наиболее подходящих для исследованных образцов пород БС моделей электропроводности. За отчётный период реализации проекта получены следующие конкретные результаты. 1) Количественное содержание физически связанной воды (полислойной и монослойной) в образцах пород баженовской свиты (БС), содержание различных видов воды (свободной, физически и химически связанной) по разрезам скважин. 2) Закономерности распределения ёмкости катионного обмена (ЕКО) пород БС по глубине скважин и оценка зависимостей ЕКО от различных параметров, включая содержание глинистых минералов, содержание твёрдого органического вещества, остаточного водосодержания. 3) Надёжные экспериментальные данные о минерализации и химическом составе поровых вод пород БС. 4) Равновесный состав поровой воды образцов пород БС; возможные источники и процессы формирования концентраций основных химических компонентов. 5) Результаты регрессионного анализа водосодержания с имеющимися данными геофизических исследований скважин; вывод по возможности определения водосодержания напрямую через эмпирическую связь (без применения модели электропроводности). 6) Обзор моделей электропроводности для сланцевых/нефтематеринских пород-коллекторов по избранным российским и международным публикациям с выделением моделей, наиболее подходящих к особенностям пород БС. 7) Выбор одной или нескольких наиболее подходящих для исследованных образцов пород БС стандартных петрофизических моделей электропроводности. В рамках отчётного периода научному коллективу удалось впервые экспериментально получить изотермы адсорбции воды на 19 образцах пород БС в ненарушенном сложении из целевой коллекции гигрометрическим методом. Все полученные изотермы имеют хорошо выраженную s-образную форму, что по точкам перегиба позволяет определить максимально возможное количество связанной воды различных типов – моно- (0,3-1,2 масс. %), поли- (0,6-1,6 масс. %) и капиллярной конденсации (1,5-4 масс. %). Образец 11, содержащий до 85 масс.% карбонатных минералов, практически не сорбирует воду (до 0,02 масс. %). Измеренное количество воды моно-, поли- и капиллярной конденсации характеризует максимальный потенциал адсорбции влаги образцами БС, то есть, дают верхнее максимально возможное содержание физически связанной воды – 1,5 до 3 масс. %. Содержание слабосвязанной физической воды было получено прямым методом испарения наряду со свободной водой в ходе реализации 1-го года проекта и составило 0÷1,12 масс. % и в целом представляет собой минимальное нижнее значение содержания физически связанной воды, которое может быть определено напрямую. Установлено, что на поверхности минеральных частиц, слагающих исследованные породы БС, распределены как гидрофобные, так и гидрофильные участки, число которых и чередование зависит от природы породообразующих минералов, физико– химических свойств насыщающих жидкостей и содержания в образцах остаточной воды. В целом, полученные результаты заставляют пересмотреть широко принятое утверждение о гидрофобности пород БС и показывают новизну и актуальность проведённых исследований. В ходе сравнения результатов по величине ЕКО и составу обменных катионов для коллекции образцов БС, полученных методом ISO 23470 и методом Пфеффера, установлено, что последний даёт более надёжные и достоверные результаты. Полученные величины ЕКО (от 5,49 до 16 мг-экв/100 г породы) обеспечиваются преимущественно присутствием гидрослюдистых и смешаннослойных минералов, а не твёрдым ОВ (керогеном). В целом, полученные значения согласуются с величинами ЕКО сланцевых пород формации Bakken (5,4÷10,5 мг-экв/100 г породы), формации Monterey (до 13 мг-экв/100 г породы), формации Haynesville (от 2 до 4 мг-экв/100 г породы) (Saidian M. и др., 2016), которые могут рассматриваться как зарубежные аналоги БС. Обнаружено, что тип поглощающего комплекса всех исследованных образцов БС относится к морскому с преобладанием Na и K над содержание кальция (rCa/(rNa+rK)<1) и указывает на морской генезис отложений БС. Установлено снижение величин ЕКО отложение БС по сравнению с породами зоны гипергенеза, что связано с переход катионов из обменного состояния в необменное вследствие дегидратации, уплотнения и литификации отложений, упрощением структуры глинистых минералов в процессе катагенеза при росте температуры и давления с глубиной, сопровождающееся изменением рН-Eh условий системы «порода-вода-ОВ». Общей тенденции изменения величин ЕКО пород БС с глубиной скважин не прослеживается. Однако, отмечается снижение величин ЕКО в карбонатных прослоях и увеличение в глинистых. В настоящее время в РФ не существует однозначной регламентированной методики по проведению водной вытяжки из горных пород, в том числе и слабопроницаемых сланцевых. Поэтому перед началом массовых определений на образцах пород БС целевой коллекции была выполнена серия постановочных экспериментов для выбора оптимального соотношения воды и породы, а также времени их взаимодействия при проведении водной вытяжки. В результате была установлена оптимальная схема проведения водных вытяжек (соотношение порода : вода – 1:2; время их взаимодействия – 10 мин; разделение суспензии – или фильтрация через фильтр «синяя лента» или центрифугирование), применение которой должно обеспечить надёжность получаемых результатов. В рамках отчётного периода данная схема была опробована на целевой коллекции образцов БС и установлено, что содержания Cl- в растворах водных вытяжек, пересчитанные на его содержание в поровых растворах с учётом коэффициента разбавления имеющегося объёма поровых вод, составляют для скв. 1 – 5,64-11,4 г/л, скв. 2 – 0,75-5,31 г/л и скв. 3 – 1,23-21,84 г/л. Отмечено неравномерное изменение его концентраций с глубиной и снижение в образцах с большим содержанием карбонатных минералов. Содержание катионов Ca, Mg, K, Fe, SO42-, HCO3- и в меньшей степени катиона Na в составах водных вытяжек связано с их поступлением из пород в ходе возникающих различных физико-химических процессов в системе «дистиллированная вода–навеска породы» и не могут дать представление о их количественном содержании в поровой воде. Оценённые значения минерализации по NaCl составляют для скв. 1 – 9,30-18,36 г/л, скв. 2 – 1,23-8,75 г/л и скв. 3 – 2,03-35,98 г/л. Полученные величины задают нижнюю границу возможных величин минерализации поровых вод исследованных образцов пород БС. Выявлено, что содержание йода в поровых водах БС ( в среднем 10,78 мг/л) соотносится с содержанием йода в подземных водах неокомского водоносного горизонта центральных районов Западно-Сибирского мегабассейна. В ходе исследований удалось получить надёжные данные по изотопному составу поровых вод пород БС. Известно, что метеорные воды Западной Сибири, сформированные в условиях холодного, резко континентального климата, сильно обеднены δ2H, δ18O по сравнению с первоначально морскими седиментационными водами, генетически связанными с нефтяными залежами. По соотношению значений δ2H и δ18O установлено, что все исследованные пробы выделенной воды БС являются глубинными, в них преобладают древние рассолы с изотопным составом типичным для захороненных морских вод. В целом, величины δ2H, δ18O для исследованных проб соотносятся с результатами, полученными ранее для 3-х пор поровой воды БС Вынгаяхинского месторождения (Kazak E. S. и др., 2017). При построении термодинамической модели для расчёта равновесного состава порового раствора в системе «вода––порода БС» на основании имеющихся экспериментальных данных была выполнена верификация базы данных программы PHREEQC – сопоставление результатов моделирования растворимости минералов, характерных для пород БС, при изменении температуры от 10 до 150 °С с экспериментальными результатами (по литературным источникам). В ходе расчётов было установлено, что рассчитанные в программе кривые растворимости аморфного кремнезёма, кварца и гиббсита хорошо соотносятся с экспериментальными результатами. Для альбита и каолинита была получена удовлетворительная сходимость с экспериментальными данными, что требует корректировки базы данных программы при дальнейших расчётах. В ходе вычислений соотношений главных катионов в поровой воде с использованием состава обменного комплекса породы БС при условии равновесия между ними установлено, что в составе воды до 91% принадлежит Na, затем идёт Mg (до 5,6%), Ca (до 2,6 %) и K (до 0,8%). То есть при измеренном составе обменных катионов равновесный с ним поровый раствор будет иметь преимущественно натриевый состав. В ходе первых термодинамических расчётов состава поровой воды 1 образца пород БС при пластовых условиях установлено, что она в макрокатионном составе помимо натрия будет содержать до 8,5 ммоль/л кальция и до 0,5 ммоль/л магния, кремний. Дальнейшие расчёты показали, что извлечение керна БС, сопровождающееся изменениями Р-Т условий с пластовых на атмосферные, приводят к изменениям в составе поровой воды и минеральном составе керна, в частности к росту рН и снижению концентраций Ca2+, Mg2+, HCO3- м кремния в поровом растворе. Совместная интерпретация полученных лабораторных результатов количественных и качественных анализов воды и породы по глубине скважин показала, что относительно низкое сопротивление нефтематеринских пород БС определяется совокупным действием водосодержания и минерализации. ЕКО и состав обменного комплекса влияют на сопротивление не явно, а по некоторой более сложной зависимости. Адекватная модель сопротивления пород БС должна учитывать водосодержание, минерализацию и ЕКО, вместе с составом обменного комплекса. В результате анализа массива данных, полученных в ходе реализации проекта, и данных геофизических исследований скважин был сделан вывод о невозможности определения водосодержания напрямую через эмпирическую связь для целевой коллекции образцов. Вопрос о возможности определения водосодержания с использованием модели электропроводности остаётся открытым; поиск ответа запланирован на 3-й год реализации проекта. Установлено в обогащённых органическим веществом сланцевых породах интерпретация данных каротажа сопротивлений является более сложной, чем в традиционных породах-коллекторах УВ. В этом случае на УЭС влияют не только наличие и пространственное распределение глины, но также топология структуры пустотного пространства, неоднородность и наличие других проводящих компонентов, включая кероген и пирит, которые также существенно влияют на общую проводимость породы. Следовательно, традиционные петрофизические модели УЭС, основанные на уравнении Archie (включая Dual Water, Waxman-Smits, Modified Simandoux) могут не надёжно оценивать водонасыщенность в обогащённых органическим веществом сланцевых породах и, таким образом не дают направления для дальнейшего развития. Набор наиболее перспективных (применительно к целевой коллекции образцов пород БС) петрофизических моделей электропроводности включает модели Еникеева (Еникеев Б. Н., 1979), Рыжова (Рыжов А. А., 1987; Рыжов А. А. и др., 1990) и Garcia (Garcia A. P. и др., 2017; Garcia A. P. и др., 2018).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчётный период реализации проекта выполнены следующие работы. 1) Экспериментальные определения содержания воды моно-, поли- и капиллярной конденсации для экстрагированных от углеводородов образцов пород баженовской свиты, расчёт коэффициентов максимальной водо- и нефтенасыщенности, удельной поверхности. 2) Проведение экспериментов по прямому извлечению поровых вод из полноразмерных образцов керна баженовской свиты методом отжимания раствора с применением внешней механической силы с замещением растворов маслом. Разработка оборудования, позволяющего создавать высокие внешние давления отжима. 3) Верификация и модификация первичной термодинамической модели для расчёта равновесного состава порового раствора в системе «вода–органическое вещество–порода» на основании имеющихся экспериментальных данных. 4) Сбор полученных в ходе проекта экспериментальных и модельных результатов в единую базу данных и проведение их комплексной интерпретации и статистической обработки с целью установления петрофизических зависимостей. 5) Подготовка проекта рекомендаций по лабораторному исследованию содержания и состава различных видов воды слабопроницаемых сланцевых пород на примере баженовской свиты. 6) Исследование возможности оценки водосодержания и состава по данным стандартного комплекса геофизических исследований в скважинах. 7) Поиск эффективной петрофизической модели электропроводности исследованных образцов пород баженовской свиты. За отчётный период реализации проекта получены следующие конкретные результаты. 1) Количественное содержание воды моно-, поли- и капиллярной конденсации для экстрагированных от углеводородов образцов пород баженовской свиты, распределение коэффициентов максимальной водо- и нефтенасыщенности, а также площади удельной поверхности с глубиной скважины. 2) Минерализация поровых вод образцов пород баженовской свиты по результатам прямого определения. 3) Прототип термодинамической модели, позволяющей получить равновесный состав поровых растворов слабопроницаемых сланцевых пород (на примере баженовской свиты) без учета органических лигандов. 4) Единая база данных, полученных в ходе реализации проекта, и описание найденных петрофизических зависимостей. 5) Проект методики по лабораторному исследованию содержания и состава воды слабопроницаемых сланцевых пород на примере баженовской свиты, а также рекомендации по отбору образцов пород баженовской свиты и её аналогов для достоверного определения водосодержания. 6) Прототип алгоритма для оценки водосодержания и состава по данным стандартного комплекса геофизических исследований в скважинах и его реализация в виде протопипа программного обеспечения. 7) Требования к эффективной петрофизической модели электропроводности исследованных образцов пород баженовской свиты. В рамках отчётного периода научному коллективу удалось впервые экспериментально получить изотермы адсорбции воды на образцах пород баженовской свиты после экстракции углеводородов гигрометрическим методом. Все полученные изотермы имеют хорошо выраженную S-образную форму. В образцах после экстракции по отношению к образцам до экстракции обнаружено увеличение содержания всех видов воды: мономолекулярно связанной воды (0,5÷1,0 масс.%) — приблизительно в 2 раза; моно- и полимолекулярной воды совместно (2÷3,5 масс.%) также — в 2 раза; максимальной гигроскопичности (3÷8 масс.%) — в 3÷4 раза. Величины неснижаемой водонасыщенности для экстрагированных образцов соответствуют 0,4÷1,40 масс.%. Во всех образцах также наблюдается увеличение площади удельной поверхности после экстракции в 1,5÷3 раза. Большинство исследуемых образцов можно отнести к гидрофобным (Кфб>0,5). Наименьшее расчётное содержание связанной нефти наблюдается в гидрофильных. Знание объёма порового пространства породы при известном содержании связанной нефти позволит оценить содержание свободной нефти в породе. Обнаружено, что чем в образцах меньше кремнистой составляющей, тем больше глинистых минералов и тем больше содержание связанной воды и воды капиллярной конденсации как для экстрагированных, так и для неэкстрагированных образцов. Однако, максимальное водосодержание экстрагированных образцов зависит от содержания глинистых минералов в большей степени, чем для неэкстрагированных. Зависимости изменения суммарного содержания воды от Сорг во всех образцах не обнаружено, однако установлено, что чем больше нефтенасыщенность образца, тем меньшее его максимальное водосодержание. Удалось впервые создать технологию по вытеснению свободной поровой воды из слабопроницаемых пород баженовской свиты с изначально низким водосодержанием (менее 1 масс.%), а также предложить методику прямого анализа её химического и изотопного состава. Применение данного подхода не должно ограничиваться породами баженовской свиты, а может быть использована для любых других слабопроницаемых отложений (пород сланцевых формации мира, аргиллитов, кернов горных пород с других планет и пр.). За весь период разработки отложений баженовской свиты не удавалось выделить и определить состав поровых растворов. В рамках реализации проекта научным коллективов впервые для пород баженовской свиты был выполнен прямой анализ минерализации порового раствора баженовской свиты. По результатам прямого анализа минерализация поровой воды обр. 28 скв. 3 составляет 9,85 г/л, а обр. 29 скв. 1 — 11,01 г/л. Полученные значения попадают в диапазон минерализации по NaCl, установленные во 2-й год проекта в результате использования косвенного метода водных вытяжек: 1,23÷35,98 г/л. Также, они близки к значениям минерализации подземные воды георгиевской и ачимовской свит нижневартовского свода, подстилающие и перекрывающие отложения баженовской свиты. Соответственно, косвенный метод водной вытяжки может быть использован как альтернативный прямому анализу для оценки минерализации по NaCl поровых вод баженовской свиты. Качественный анализ состава поровых вод показал, что они преимущественно хлоридно-натриевые с подчинённым содержанием Ca, Mg, HCO3- и некоторые микроэлементы. Результаты изотопного анализа (δ2H и δ18O) выделенной поровой воды подтверждают, что она является морской седиментационной водой, генетически связанной с нефтяными залежами Западной Сибири, а не а не жидкостью другой природы (буровой раствор и пр.). Измеренный ранее изотопный состав выпаренной поровой воды (при 121 и 250 °C в методе испарения) обладает немного облегчённым, но очень близким к изотопному составу неизменённой поровой воды. Поэтому в дальнейшем он может быть использован для характеристики поровых вод и верификации выполненных анализов водосодержания. Полученные результаты имеют принципиальное и крайне важное значение для современной мировой науки и индустриального сектора. Для определения равновесного состава поровых вод при пластовой температуре, но при различных давлениях p(CO2) и значениях минерализации была использован первичный прототип термодинамической модели, созданный во 2-й год проекта. В ходе расчётов обнаружено, что поровые воды баженовской свиты в пласте при минерализации до 35 г/л при доминировании в составе Na и Cl будут содержать Ca2+ до 0,1 моль/л, Si до 5 ммоль/л, pH от 5,0 до 6,5, HCO3- — до 0,05 моль/л. В целом полученный равновесный состав поровых вод соотносятся с составом подземных вод выше и ниже лежащих водоносных горизонтов ачимовской и георгивских свит. В составе поровых вод баженовской свиты не будет растворённого сульфата, из-за его восстановления и осаждения с железом в виде пирита, а также не ожидается значимых концентраций Al3+ вследствие его осаждения в алюмосиликатах. В настоящее время в Российской Федерации не существует рекомендаций по надёжному лабораторному определению водосодержания слабопроницаемых сланцевых пород. За 3-й год реализации проекта разработаны и опробованы новые перспективные методики определения водосодержания специально для слабопроницаемых сланцевых пород с изначально низким содержанием воды (менее 1÷5 масс.%). На основании полученных результатов подготовлен проект рекомендаций по лабораторному исследованию содержания и состава различных видов воды слабопроницаемых пород баженовской свиты. Подробное описание и обоснование рекомендаций можно найти в публикациях, сделанных в рамках реализации проекта. Структура основного листа единой базы данных, полученных в ходе реализации проекта, включила в себя различные группы параметров, а именно: общая информация по целевым образцам пород баженовской свиты; результаты рентгенофазового анализа породы и глинистой фракции; результаты пиролиза Rock-Eval; результаты классификации и типизации целевых образцов; результаты определения ёмкости катионного обмена; результаты определения водосодержания; результаты определения удельной поверхности по адсорбции паров воды; результаты адсорбции паров воды; результаты определения минерализации поровых вод; данные геофизических исследований в скважинных (осреднённые в окне, соответствующем объёму исследований соответствующих методов, на глубине целевых образцов полноразмерного керна). Анализ единой базы с целью поиска петрофизических зависимостей позволил сделать ряд выводов. 1) Специализированное программное обеспечение для визуального и статистического анализа является мощным инструментом для взаимного сравнения различных коллекций образцов. 2) Возможности сопоставления данных по разным коллекциям ограничены различием методик и технологий оценки изучаемых параметров. 3) Для корректного сравнения измеряемых параметров необходима их унификация или создание способов их пересчёта. 4) Невзирая на различные условия формирования глинистых сланцев между разными коллекциями имеется определённое сходство. 5) Структура найденных петрофизических взаимосвязей такова, что построение прогнозов требует использования как минимум 4÷5 независимых параметров. Предложен подход к оценке водосодержания по данным стандартного комплекса методов геофизических исследований скважин для целевых разрезов скважин и массива петрофизических данных. Метод основан на петрофизической модели двойной воды и оптимизационном подборе неизвестных параметров. Реализация описанного оптимизационного подхода выполнена в виде научно-исследовательского кода на языке программирования высокого уровня MATLAB. Исследование показало принципиальное отсутствие возможности оценки состава поровой (пластовой) воды по данным стандартного комплекса методов геофизических исследований скважин. Поиск эффективной петрофизической модели электропроводности исследованных образцов пород баженовской свиты потребовал выявления и систематизации ключевых особенностей состава и строения, отвечающих за проводимость электрического тока. В результате решения задачи установлено, что электропроводность пород баженовской свиты определяется несколькими группами факторов (параметров). Во-первых, удельного электрического сопротивления породы непосредственно связано с наличием и содержанием токопроводящих компонентов в составе минерально-органической матрицы пород баженовской свиты (глинистыми минералами и пиритом). Во-вторых, электрическую проводимость среды определяет микроструктура, а именно взаимное расположение токопроводящих компонентов. В-третьих, установлено, что насыщение пустотного пространства токопроводящими флюидами также определяет электропроводящие свойства сланцевых пород. В-четвёртых, по аналогии с токопроводящими компонентами матрицы ограничивающий вклад в эффективную электропроводность сланцевых нефтематеринских породы вносит пространственное расположение и связанность (топология) токопроводящих флюидов. В случае целевой коллекции образцов эту роль играет степень непрерывности и связанности перколирующей сети поровой воды. В свою очередь, пространственное распределение воды в порах определяется смачиваемостью стенок. Создан каталог петрофизических моделей, наиболее подходящих к особенностям исследованных пород баженовской свиты. Модели были реализованы в виде набора (пакета) научно-исследовательских кодов на языке программирования высокого уровня MATLAB. Созданный набор кодов позволяет решать прямые задачи, то есть расчёт удельного электрического сопротивления по массиву входных параметров. Дополнительно коды открывают возможность решать обратные задачи, а именно — подбор параметров среды, дающих эквивалентное расчётное значение удельного электрического сопротивления. Сортировка массива невязок по каждой из модели каталога позволяет решать задачу о ранжировании моделей применительно к анализируемой выборке данных. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвящённые проекту: https://www.researchgate.net/project/RSF-17-77-20120-Pore-Water-as-a-Key-Component-of-Hydrocarbon-Reservoir-Model-of-the-Bazhenov-Source-Rock https://www.rscf.ru/news/found/otkrytaya-laboratornaya/ https://www.skoltech.ru/2020/03/nauchnye-sotrudniki-skolteha-finalisty-konkursa-lidery-rossii-v-spetsializatsii-nauka/ https://www.instagram.com/p/B3mMFJTIWmm/ https://лидерыроссии.рф/news_22041 https://scientificrussia.ru/articles/otkrytaya-laboratornaya-2020-kak-eto-bylo https://nauka.tass.ru/nauka/6915975 https://www.gazeta.ru/science/news/2019/09/24/n_13501795.shtml https://indicator.ru/earth-science/metod-opredeleniya-vody-slancakh-25-09-2019.htm https://www.if24.ru/suprugi-finalisty-spetsializatsii-nauka-konkursa-lidery-rossii-razrabatyvayut-unikalnuyu-otechestvennuyu-tehnologiyu/ https://vz.ru/news/2020/4/22/1035701.html https://www.ridus.ru/news/325532 https://www.angi.ru/news/2874939-%D0%A3%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D1%83-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%83%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B8-%D0%B1%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9-%D1%81%D0%B2%D0%B8%D1%82%D1%8B/