РАЗРАБОТКА СПОСОБА КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КЕРОГЕНА В ПОРОДЕ МЕТОДАМИ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ И ИК-МИКРОСКОПИИ

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ, ИК-МИКРОСКОПИИ И
ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕФТЕМАТЕРИНСКИХ ПОРОД 9
1.1 ИК-спектроскопия 10
1.2 ИК-микроскопия 24
1.3 Термические методы анализа 30
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 34
2.1 Объекты исследований 34
2.2 Экстракция битумоидов 34
2.3 Выделение керогена 34
2.4 Методы исследования 35
2.5 Методики эксперимента 62
ГЛАВА 3. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЕРОГЕНА МЕТОДАМИ ИК-
СПЕКТРОСКОПИИ 67
3.1 ИК-спектроскопия керогена и керогенсодержащих пород 67
3.1.1 Структурно-групповой состав образцов керогена и керогенсодержащих пород 67
3.1.2 Полуколичественное определение керогена методом ИК-спектроскопии 72
3.2 Минимизация пробоподготовки при исследовании керогена в породах методом ИК-
спектроскопии 76
3.3 Способ количественного определения керогена методом ИК-спектроскопии 84
3.3.1 Исследование монокомпонентных смесей и определение коэффициентов
поглощения колебаний C-H и C=C связей 84
3.3.2 Определение коэффициентов поглощения полос валентных колебаний C-H-
связей 89
3.3.3 Проверка правильности определения алифатических и ароматических
фрагментов методом «введено-найдено» 93
3.3.4 Количественная оценка содержания керогена с использованием коэффициентов поглощения алифатических и ароматических фрагментов 95
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНО-ГРУППОВОГО СОСТАВА И
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЕРОГЕНА МЕТОДОМ ИК-МИКРОСКОПИИ 98
ВЫВОДЫ 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 140
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Купить

Актуальность работы. Поиск и освоение нетрадиционных запасов углеводородов (УВ) является стратегической задачей нефтегазовой промышленности, направленной на расширение и развитие сырьевой базы РФ. Кероген представляет собой нерастворимое макромолекулярное органическое вещество (ОВ), содержащееся в осадочных породах в рассеянном состоянии, и ключевой источник УВ [1]. Для оценки потенциала и выбора технологии разработки месторождений необходима надежная химическая информация о распределении и структурно-групповом составе керогена. Основная проблема состоит в отсутствии системного подхода при использовании разнообразных, зачастую дублирующих методов и ориентировании исследования только на структурно-групповые характеристики керогена без учета распределения вещества в породе. Существует ряд физико-химических методов, включающий в себя программируемый пиролиз, хромато-масс-спектрометрию, газовую хроматографию, рентгеноструктурный анализ и ЯМР-спектроскопию, которые требуют длительной пробоподготовки и исследуют кероген, отдельно выделенный из содержащей его породы.
Спектральные методы такие, как ИК-спектроскопия и ИК-микроскопия, могут быть применены в рамках единого подхода для экспрессного полуколичественного определения содержания и оценки структуры керогена. ИК-микроскопия зарекомендовала себя как надежный неразрушающий метод исследования органического вещества на поверхности пород с возможностью получения информации о неоднородности распределения как минералов, так и органического вещества. Однако метод требует оптимизации способов пробоподготовки поверхности образцов пород, а также верификации на примере образцов пород с различным минералогическим составом, и различным типом керогена. Кроме того, остаются нерешенными задачи количественного определения керогена, связанные с отсутствием стандартных образцов керогенсодержащих пород, которые необходимы в методах ИК-спектроскопии и ИК-микроскопии, а также нелинейным характером зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации в спектрах отражения.
Разработка способов совместного использования ИК-спектроскопии и ИК- микроскопии с другими физико-химическими методами позволит существенно расширить и детализировать информацию о структурно-групповом составе керогенсодержащих пород, характере и степени распределения керогена в породе, а также определить содержание керогена и количество УВ, которое он способен сгенерировать в процессе своего термического преобразования.
Цель работы - разработка способа исследования распределения, состава и содержания керогена на основе методов ИК-спектроскопии и ИК-микроскопии, который включает количественное определение керогена в глинисто-карбонатно-кремнистых породах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Идентифицировать полосы поглощения инфракрасного диапазона, надежно характеризующие структурно-групповой состав керогена, в том числе находящегося в глинисто-карбонатно-кремнистых породах, для дальнейшего их использования в количественном определении;
2. Обосновать возможность определение керогена непосредственно в породе методом ИК-спектроскопии, тем самым минимизировать пробоподготовку, исключая стадию выделения керогена;
3. Предложить способ количественного определения керогена методом ИК- спектроскопии по нормированным полосам поглощения алифатических и ароматических групп в глинисто-карбонатно-кремнистых породах;
4. Предложить способ определения структурно-группового состава и распределения керогена на поверхности глинисто-карбонатно-кремнистых пород методом ИК- микроскопии;
5. На основе объединения предложенных способов обосновать преимущества их совместного использования для определения керогена и установления характера и степени его распределения в глинисто-карбонатно-кремнистых породах.
Научная новизна. Методом ИК-микроскопии впервые предложен способ полуколичественного определения керогена и установления характера и степени распределения его алифатических и ароматических фрагментов на поверхности керогенсодержащих пород переменного минералогического состава (глинистых, карбонатных, кремнистых и др.).
Методом ИК-спектроскопии впервые предложен способ количественного определения керогена по нормированным ИК-спектрам с использованием коэффициентов поглощения полос функциональных групп его алифатических и ароматических фрагментов непосредственно в образцах глинисто-карбонатно-кремнистых породах.
Показана возможность минимизации пробоподготовки за счет кислотной обработки пород с высоким содержанием карбонатных минералов и исключения стадии выделения керогена.
Практическая значимость. Доказана эффективность применения метода ИК- микроскопии для полуколичественного определения керогена и метода ИК-спектроскопии для его количественного определения непосредственно в породах, что позволяет сократить трудоемкость эксперимента с одновременным повышением информативности.
Разработанный способ исследования распределения, состава и содержания керогена на основе методов ИК-спектроскопии и ИК-микроскопии, в глинисто-карбонатнокремнистых породах позволяет заменить существующий набор рутинных методов, поскольку определяемое соотношение содержания алифатических и ароматических фрагментов закономерно соответствует структурно-групповому составу керогена.
Минимизация стадии пробоподготовки посредством исключения стадии предварительного выделения керогена из пород позволяет сократить время эксперимента и отказаться от токсичных растворителей (хлороформа, гексана, спиртобензольных смесей, плавиковой кислоты и др.).
Практическая значимость исследования подтверждена патентом на изобретение «Оценка содержания органического вещества в нефтематеринских породах, содержащих кероген II типа» (№ 2769531 от 01 апреля 2022 г.). Результаты диссертационного
исследования использованы в работе лаборатории Центра добычи углеводородов АНОО ВО «Сколковский институт науки и технологий» (г. Москва), а также внедрены в учебный процесс кафедры химии Института естественных и технических наук Сургутского государственного университета (г. Сургут).
Методология и методы исследования. В работе использованы современные методы исследования: ИК-спектроскопия и ИК-микроскопия с Фурье преобразованием,
программируемый пиролиз по методу Рок-Эвал, дифференциальный термический анализ в инертных и окислительных условиях, рентгенофлуоресцентный анализ и элементный CHNS-анализ. Обработку спектров и картирование поверхности образцов проводили с использованием программного обеспечения LabSolutions (v.2.25) и AIMsolution (v. 1.24).
Личный вклад автора заключается в сборе, анализе и переработке литературных данных по теме исследования, в проведении экспериментальных работ, обработке полученных результатов и их обобщении, выработке практических рекомендаций, подготовке научных статей и тезисов конференций по материалам диссертации.
Основные защищаемые положения:
1. Минимизация пробоподготовки за счет исключения стадии выделения керогена и проведения его определения непосредственно в породе методом ИК-спектроскопии;
2. Способ полуколичественного определения содержания и состава керогена методом ИК-спектроскопии по нормированным полосам поглощения функциональных групп, в том числе находящегося в породах;
3. Способ количественного определения алифатических и ароматических фрагментов керогена методом ИК-спектроскопии с использованием их коэффициентов поглощения;
4. Способ одновременного определения соотношения алифатических и ароматических фрагментов и распределения керогена на поверхности пород методом ИК-микроскопии;
5. Результаты апробации совокупности предложенных способов для повышения точности определения керогена и установления характера его распределения в реальных объектах.
Апробация результатов. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, из них: 5 статей в российских и международных журналах, в т.ч. индексируемых в базе данных Scopus и Web of Science; 18 публикаций в российских и международных сборниках трудов и материалов научных конференций.
Основные результаты, полученные при работе над диссертацией, были представлены в виде устных и стендовых докладов на конференциях различного уровня: XX EuroAnalysis (Стамбул, 2019); XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт- Петербург, 2019); XI Международной конференции для молодых ученых по химии «Менделеев 2019» (Санкт-Петербург, 2019); I Северной Международной конференции «Цифровая жизнь и цифровая индустрия» (Сургут, 2019); Международной научно-
практической конференции «Новые идеи в геологии нефти и газа 2019» (Москва, 2019); VI Международной (XIV Всероссийской) научно-практической конференции
«Нефтепромысловая химия» (Москва, 2019); III Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы исследования нефтегазовых пластовых систем» SPRS-
2020 (Москва, 2020); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2020); VII Международной (XV Всероссийская) научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2020); Совместном семинаре EAGE/SPE
2021 «Наука о сланцах: Новые вызовы» (Москва, 2021); Всероссийской конференции- конкурсе студентов и аспирантов «Актуальные проблемы недропользования 2021» (Санкт- Петербург, 2021); VIII Международной (XVI Всероссийской) научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2021); I Международном научнопрактическом семинаре «Экспериментальные методы исследования пластовых систем: проблемы и решения» (Москва, 2021); XXV юбилейной научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала Западной Сибири» (Ханты-Мансийск, 2021); 25-ой конференции по вопросам геологоразведки и разработки месторождений нефти и газа «Геомодель 2023» (Геленджик, 2023); XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2023); Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии - 2023» (Иркутск, 2023); IV Всероссийской конференции по аналитической спектроскопии с международным участием (Краснодар, 2023).
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (приказ от 04.09.2020 № 10-П-1308) в рамках государственного задания 2021-2023 гг., проект «Комплексные геохимические исследования и цифровые технологии, направленные на повышение эффективности бурения при разработке низкопроницаемых и нетрадиционных коллекторов (Цифровой двойник бурового раствора)».
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 151 странице машинописного текста и включает 4 главы, 38 рисунков, 32 таблицы, список литературы, состоящий из 121 источника, и трех приложений.

Купить