Laboratory methods of pore water extraction from low permeability rocks to study its chemical composition
https://doi.org/10.55959/MSU0579-9406-4-2025-64-1-30-40
Abstract
Pore water composition study is an effective diagnostic tool to understand and interpretate the physical and chemical processes during water-rock interaction. The correct choice of the laboratory extraction method directly defines the quality of its chemical composition results interpretation. The paper reviews the leading modern pore water extraction methods — the centrifugation, Rhizon samplers, high-pressure squeezing, indirect method of water extraction and the method by viscous fluid displacement. The paper presents a number of advantages and disadvantages of these methods, and also characterizes their effectiveness for low permeability rocks with different water saturation.
About the Authors
E. S. Kazak
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
Ekaterina S. Kazak
Moscow
N. E. Shindina
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
Natalya E. Shindina
Moscow
References
1. Андреева Р.Ю. Сопоставление значений капиллярного давления, полученных методами центрифугирования и капилляриметрии // Научный журнал. Геология. 2016. Т. 10–15.
2. Архангельский А.Д., Залманзон Э.С. Сравнительное литологическое исследование по вопросу о происхождении подземных вод Грозненских нефтяных месторождений // Бюлл. МОИП. Отд. геол. 1931. Т. IX. С. 3–4.
3. Богашова Л.Г., Валяшко М.Г., Родионова И.П. и др. Экспериментальное изучение закономерностей формирования поровых растворов // Закономерности формирования химического состава природных вод. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. С. 99–107.
4. Бруевич С.В., Виноградова Е.Г. Химический состав грунтовых растворов Каспийского моря // Гидро-хим. мат-лы. 1947. Т. 13. С. 129–186.
5. Бунеев А.Н. Основы гидрогеохимии минеральных вод осадочных отложений. М.: Медгиз, 1956. 288 с.
6. Гедройц К.К. К вопросу об изменяемости концентрации почвенного раствора и содержания в очве легкорастворимых соединений в зависимости от внешних условий // Журнал опытного агронома. 1906. Т. VII. С. 521–545.
7. Гудок Н.С., Богданович Н.Н., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтеводосодержащих пород. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. 592 с.
8. Гурский Ю.Н. Геохимия литогидросферы внутренних морей. Т. 1. М.: ГЕОС, 2003. С. 247–265.
9. Зубков М.Ю. Понятие «остаточная водонасыщенность» и возможность ее определения в лабораторных условиях // Каротажник. 2015. Т. 7. С. 63–78.
10. Казак Е.С., Богданович Н.Н., Казак А.В. и др. Оценка содержания остаточной поровой воды и анализ состава водных вытяжек пород баженовской свиты Западной Сибири // Нефтяное хозяйство. 2017. Т. 4. С. 48–52.
11. Казак Е.С., Сорокоумова Я.В., Ахманов Г.Г. и др. Изучение состава поровых растворов косвенным методом водных вытяжек // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2018. № 4. С. 54–71
12. Казак Е.С., Харитонова Н.А., Казак А.В. Минерализация и макрокомпонентый состав поровых вод пород баженовской, ачимовской и георгиевской свит (по данным водных вытяжек) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2018. № 5. С. 100–110.
13. Крюков П.А. Горные, почвенные и иловые растворы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1971. С. 219.
14. Кузнецов А.М., Баишев А.Б., Кузнецов В.В. Определение начальной водонасыщенности и капиллярной кривой методом центрифугирования // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. 2010. С. 49–51.
15. Марков-Осоргин А., Рубинштейн Л.И. Определение содержания погребенной воды методом центрифугирования. Новости нефтяной техники // Нефтепромысловое дело. 1952. С. 31–33.
16. Орлов Л.И., Лавров А.П., Манжалей Н.Т. Комплексное изучение поровых растворов и пластовых вод // Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии. 1974. С. 147–171.
17. Орлов Л.И., Топорков В.Г. Способ извлечения поровых вод вытеснением маслом // Авторское свидетельство СССР, БИ. 1981. Т. N894485. С. 2.
18. Рубинштейн Л.И. Об определении содержания погребенной воды // Башкирская нефть. 1950. Т. 2. С. 27–32.
19. Шишкина О.В. Геохимия морских и океанических иловых вод. М.: Наука, 1972. 228 с.
20. Adams J.W., Stocker C.D., La N.R. Emerging centrifugal technology in shale hydraulic fracturing waste management. 2012. С. 561–562.
21. Aquilina L., Boulegue J., Sureau J.F., Bariac T. EVution of Interstitial Waters along the Passive Margin of the Southeast Basin of France: WELCOM (Well Chemical On-line Monitoring) Applied to Balazuc-1 well (Ardèche) // Applied Geochemistry. 1994. Vol. 9. P. 657–675.
22. Arrhenius G.O.S. Sediment Cores from the East Pacific. Reports of the Swedish Deep-Sea Expedition, 1947–48 // Geologiska Föreningen i Stockholm Förhandlingar. 1953. Vol. 75. P. 115–118.
23. Batley G.E., Giles M.S. Solvent displacement of sediment interstitial waters before trace metal analysis // Water Research. 1979. Vol. 13. № 9. P. 879–886.
24. Bischoff J.L., Greer R.E., Luistro A.O. Composition of Interstitial Waters of Marine Sediments: Temperature of Squeezing Effect // Science. 1970. Vol. 167. P. 1245–1246.
25. Briggs L.J., McLane J.W. The moisture equivalent of soils // U.S. Dept. Agriculture, Bureau of Soils Bull. 1907. Vol. 45. P. 1–23.
26. Cameron F.K. The soil solution, the nutrient medium for plant growth, Easton, Pa, The Chemical publishing co.; [etc., etc.]. 1920. 150 p.
27. Devine S.B., Ferrel R.E., Billings G.K. The significance of ion exchange to interstitial solutions in clayey sediments, Chemical Geology. 1973. Vol. 12. P. 219–228.
28. Di Bonito M., Breward N., Crout N., et al. Overview of Selected Soil Pore Water Extraction Methods for the Determination of Potentially Toxic Elements in Contaminated Soils // Operational and Technical Aspects. 2008. P. 213–249.
29. Dickens G.R., Koelling M., Smith D.C., Schnieders L. Rhizon Sampling of Pore Waters on Scientific Drilling Expeditions: An Example from the IODP Expedition 302, Arctic Coring Expedition (ACEX) // Scientific Drilling. 2007. № 4. P. 22–25.
30. Duncan Moss P., Edmunds W.M. Processes controlling acid attenuation in the unsaturated zone of a Triassic sandstone aquifer (U.K.), in the absence of carbonate minerals // Applied Geochemistry. 1992. Т. 7. № 6. С. 573–583.
31. Edmunds W.M., Bath A.H. Centrifuge extraction and chemical analysis of interstitial waters // Environmental Science & Technology. 1976. Vol. 10. P. 467–472.
32. Falcon-Suarez I., Rammlmair D., Juncosa-Rivera R., DelgadoMartin J. Application of Rhizon SMS for the assessment of the hydrodynamic properties of unconsolidated fine-grained materials // Engineering Geology. 2014. Vol. 172. P. 69–76.
33. Fernández A.M., Sánchez-Ledesma D.M., Tournassat C., et al. Applying the squeezing technique to highly consolidated clayrocks for pore water characterisation: Lessons learned from experiments at the Mont Terri Rock Laboratory // Applied Geochemistry. 2014. Vol. 49. P. 2–21.
34. Fernández A.M., Villar M.V. Geochemical behaviour of a bentonite barrier in the laboratory after up to 8years of heating and hydration // Applied Geochemistry. 2010. Vol. 25. № 6. P. 809–824.
35. Fontanive A., Gragnani R., Mignuzzi C., et al. Chemical Composition of Porewaters in Italian Plio-Pleistocene Clayey Formations // Geochemistry of Clay-Pore fluid interactions, Springer. 1993. Vol. 84. P. 389–411.
36. Kharaka Y.K., Berry F.A.P. Simultaneous flow of water and solutes through geological membranes—I. Experimental investigation // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1973. Vol. 37. № 12. P. 2577–2603.
37. Kullenberg B. On the Salinity of the Water Contained in Marine Sediments, Oceanografiska institutet. Göteborg, Sweden, Elanders boktr, 1952. P. 38.
38. Mangelsdorf P.C., Wilson T.R.S., Daniell E. Potassium Enrichments in Interstitial Waters of Recent Marine Sediments // Science. 1969. Vol. 165. P. 171–174.
39. Manheim F.T. Comparative Studies on Extraction of Sediment Interstitial Waters: Discussion and Comment on the Current State of Interstitial Water Studies // Clays and Clay Minerals. 1974. Vol. 2. P. 337–343.
40. Mattson S., Eriksson У., Vahtras K., Willia E.G. Phosphate Relationships of Soil and Plant: I. Membrane Equilibria and Phosphate Uptake // Ann. Royal Agric. College, Sweden. 1949. Vol. 16. P. 457–484.
41. Mazurek M., Oyama T., Wersin P., Alt-Epping P. Pore-water squeezing from indurated shales // Chemical Geology. 2015. Vol. 400. P. 106–121.
42. Miller C.M., Dickens G.R., Jakobsson M., et al. Pore water geochemistry along continental slopes north of the East Siberian Sea: inference of low methane concentrations // Biogeosciences. 2017. № 14. P. 2929–2953.
43. Miller M.D., Adkins J.F., Hodell D.A. Rhizon sampler alteration of deep ocean sediment interstitial water samples, as indicated by chloride concentration and oxygen and hydrogen isotopes // Geochem. Geophy. Geosy. 2014. № 15. P. 2401–2413.
44. Mower T.E., Higgins J.D., Yang I.C., et. al. Pore-water extraction from unsaturated tuff by triaxial and one-dimensional compression methods. Nevada: Nevada Test Site, 1994. 86 p.
45. Mubarak A., Olsen R.A. Immiscible displacement of the soil solution by centrifugation // Soil Sci. Soc. Am. J. 1976. Vol. 40. P. 329–331.
46. Mudroch A., MacKnight S.D. Handbook of Techniques for Aquatic Sediments Sampling. Boca Raton: CRC Press, 1994. 256 p.
47. Parker F.W. Methods of Studying the Concentration and Composition of the Soil Solution // Soil Science. 1921. Vol. 12. P. 209–232.
48. Porewater Extraction from Argillaceous Rocks for Geochemical Characterisation. Paris, France, Nuc. En. Ag. Org. for Econ. Co-Operation and Develop, 2000. 187 p.
49. Reinik J., Irha N., Steinnes E., Piirisalu E., et al. Characterization of water extracts of oil shale retorting residues form gaseous and solid heat carrier processes. 2015. P. 443–451.
50. Rittenberg S.C., et al. Biogeochemistry of sediments in experimental Mochole // Journal of Sedimentary Petrology. 1963. Vol. 33, № 1. P. 140–172.
51. Sacchi E., Michelot J.-L., Pitsch H., et al. Extraction of water and solutes from argillaceous rocks for geochemical characterisation: Methods, processes and current understanding // Hydrogeology Journal. 2001. Vol. 9. P. 17–33.
52. Schmidt G.W. Interstitial Water Composition and Geochemistry of Deep Gulf Coast Shales and Sandstones: REPLY TO MILES F. OSMASTON1 // AAPG Bulletin. 1975. Vol. 59. P. 721–721.
53. Sholkovitz E. Interstitial water chemistry of the Santa Barbara Basin sediments // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1973. Vol. 37. № 9. P. 2043–2073.
54. Steiner Z., Lazar B., Erez J., Turchyn A.V. Comparing Rhizon samplers and centrifugation for pore-water separation in studies of the marine carbonate system in sediments // Limnology and Oceanography: Methods. 2018. Vol. 16. P. 828–839.
55. Swarzenski W.V. Determination of Chloride in Water from Core Samples: GEOLOGICAL NOTES1 // AAPG Bulletin. 1959. Vol. 43. P. 1995–1998.
56. Von Damm K.L., Johnson K.O. Geochemistry of Shale Groundwaters: Results of Preliminary Laboratory Leaching Experiments United States. 1987. P. 34.
57. Walters L.J.J. Bound halogens in sediments. Doctoral Thesis. Massachusetts Institute of Technology, 1967.
Review
For citations:
Kazak E.S., Shindina N.E. Laboratory methods of pore water extraction from low permeability rocks to study its chemical composition. Moscow University Bulletin. Series 4. Geology. 2025;64(1):30-40. (In Russ.) https://doi.org/10.55959/MSU0579-9406-4-2025-64-1-30-40
Views:
35
Email this article 
