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1、岩心分析技术及应用一、X射线衍射1. X射线衍射分析技术全岩矿物组分和粘土矿物可用 X射线&T射（XRD）迅速而准确地测定。XRD分析借助于X射线衍射仪来实现，它主 要由光源、测角仪、X射线检测和记录仪构成。由于粘土矿物的含量较低，砂岩中一般3%15%。这时，X射线衍射全岩分析不能准确地反映粘土的组成与相对含量， 需要把粘土矿物与其它组分分离，分别加以分析。首先将岩样抽提干净，然后碎样，用蒸储水浸泡，最好湿式研磨，并 用超声波振荡加速粘土从颗粒上脱落，提取粒径小于2um （泥、页岩）或小于5um （砂岩）的部分，沉降分离、烘干、计算其占岩样的重量百分比。粘土矿物的XRD分析使用定向片，包括自然
2、干燥的定向片（N片）、经乙二醇饱和的定向片（再加热至 550C）, 或盐酸处理之后的自然干燥定向片。粒径大于 2 um或5 um的部分则研磨至粒径40um的粉末，用压片法制片，上机分 析。此外还可以直接进行薄片的 XRD分析，它对于鉴定疑难矿物十分方便，并可与薄片中矿物的光性特征对照，进行 综合分析。2. X射线衍射在保护油气层中的应用1）地层微粒分析地层微粒指粒径小于37”（或44”）即能通过美国400目（或325目）筛的细粒物质，它是砂岩中重要的损害因素， 砂岩中与矿物有关的地层损害都与其有密切的联系。地层微粒的分析为矿物微粒稳定剂的筛选、解堵措施的优化提供依 据。除粘土矿物外，常见的其它
3、地层微粒有长石、石英、云母、菱铁矿、方解石、白云石、石膏等。2）全岩分析对粒径大于5um的非粘土矿物部分进行XRD分析，可以知道诸如云母、碳酸盐矿物、黄铁矿、长石的相对含量，对 酸敏（HF, HCl）性研究和酸化设计有帮助。长石含量高的砂岩，当酸液浓度和处理规模过大时，会削弱岩石结构的完 整性，并且存在着酸化后的二次沉淀问题，可能导致土酸酸化失败。3）粘土矿物类型鉴定和含量计算利用粘土矿物特征峰的doa值鉴定粘土矿物类型，表2-2列出了各族主要粘土矿物的do.值。根据出现的矿物对应 衍射峰的强度(峰面各或峰高度)，依据行业标准 SYS5163-87用X射线衍射仪测定沉积岩粘土矿物的定量分析方法
4、 求出粘土矿物相对含量。表2-2各族主要粘土矿物的dooi (10-1nm) X射线衍射特征矿物dooidoo2doo3doo4doo5蒙皂石1215452.43绿泥石14.27.14.73.532.8蛭石14.27.14.73.532.8伊利石1o.o5.o3.332.5高岭石7.153.582.37表2-3主要间层粘土矿物类型非膨胀组分有序度云母绿泥石高岭石二八面体三八面体二八面体三八面体近程有序钠板石累托石云母/蒙皂石云母/蛭石水黑云母云母/蛭石苏托石(羟硅铝石)(Di-Ch) /S柯绿泥石(Tri-Ch) /Ve(Tri-Ch) /S长程有序伊利石/蒙皂石云母/蛭石?无序伊利石/蒙皂石
5、云母/蛭石云母/蒙皂石绿泥石/蒙皂石绿泥石/蛭石绿泥石/蒙皂石绿泥石/蛭石高岭石/蒙皂石注：Di-二八面体；Tri-三八面体；Ch-绿泥石；S萋皂石；Ve-蛭石；Bi-黑云母4）间层矿物鉴定和间层比计算油气层中常见的间层矿物大多数是由膨胀层与非膨胀层单元相间构成。表2-3列出了间层矿物的类型，伊利石/蒙皂石间层矿物、绿泥石/蒙皂石间层矿物较常见。间层比指膨胀性单元层在间层矿物中所占比例，通常以蒙皂石层的百分含量表示。由衍射峰的特征，依据行业标 准SY/T5983-94伊利石/蒙皂石间层矿物X射线射鉴定方法”求出间层矿物间层比及间层类型（绿泥石/蒙皂石间层矿物 间层比的标准化计算方法待定）。对间
6、层矿物的间层类型、间层比和有高序度的研究有助于揭示油气层中粘土矿物水化、 膨胀、分散的特Tto应该指出，XRD分析不能给出敏感性矿物产状，所以必须与薄片、扫描电镜技术配套使用，才能全 面揭示敏感性矿物的特征。4）无机垢分析XRD分析技术鉴定矿物的能力在地层损害研究中还有广泛的应用。油气井见水后，可能会有无机盐类沉积在射孔 孔眼和油管中，利用XRD分析技术就可以识别矿物的类型，为预防和解除垢沉积提供依据。如大庆油田聚合物驱采油 中，生产井油管中无机垢沉积，经 XRD鉴定存在BaSO,。此外，XRD分析还用于注入和产出流体中的固相分析，明确矿物成分和相对含量，对于研究解堵措施很有帮助。二、扫描电镜
7、1 .扫描电镜分析技术扫描电镜（SEM）分析能提供孔隙内充填物的矿物类型、产状的直观资料，同时也是研究孔隙结构的重要手段。扫描 电镜通常由电子系统、扫描系统、信息检测系统、真空系统和电源系统五大部分构成，它是利用类似电视摄影显象的方 式，用细聚焦电子束在样品表面上逐点进行扫描，激发产生能够反映样品表面特征的信息来调制成象。有些扫描电镜配 有X射线能谱分析仪，因此能进行微区元素分析。扫描电镜分析具有制样简单、分析快速的特点。分析前要将岩样抽提清洗干净，然后加工出新鲜面作为观察面，用导电胶固定在样品于桩上，自然晾干，最后在真空镀膜机上镀金（或碳），样品直径一般不超过1cm。近年来，在扫描电镜样品制
8、备方面取得了显著的进展。临界点干燥法可以详细地观察原状粘土矿物的显微结构，背散 射电子图象的使用能够在同一视域中直接识别不同化学成分的各种矿物2 .扫描电镜在保护油气层中的应用1） 油气层中地层微粒的观察扫描电镜分析能给出孔隙系统中微粒的类型、大小、含量、共生关系的资料。越靠近孔、喉中央的微粒，在外来 流体和地层流体作用下越容易失稳。测定微粒的大小分布及在孔喉中的位置，能有效地估计临界流速和速敏程度，便于 有针对性地采取措施防止或解除因分散、运移造成的损害。2） 粘土矿物的观测粘土矿物有其特殊的形态（表 24）,借此可确定粘土矿物的类型、产状和含量。如孔喉桥接状、分散质点状 粘土矿物易与流体作
9、用。对于间层矿物，通过形态可以大致估计间层比范围。3）油气层孔喉的观测扫描电镜立体感强，更适于观察孔喉的形态、大小及与孔隙的连通关系。对孔喉表面的粗糙度、弯曲度、孔喉尺 寸的观测能揭示微粒捕集、拦截的位置及难易程度，对研究微粒运移和外来固相侵入很有意义。4）含铁矿物的检测当扫描电镜配有X射线能谱仪时，能对矿物提供半定量的元素分析，常用于检测铁元素，如碳酸盐矿物、不同产状绿泥石的含铁量，因为在盐酸酸化时少量的铁很容易形成二次沉淀，造成油气层的损害。5）油气层损害的监测利用背散射电子图象，岩心可以不必镀金和镀碳就能测定，在敏感性（或工作液损害）评价实验前后都可以进行直观分析。对于无机和有机垢的晶体
10、形态、排布关系的观察，还可以为抑垢除垢、筛选处理剂、优化工艺措施提供依据。表2-4主要粘土矿物及其在扫描电镜下的特征构造类型族矿物化学式dooi101nm单体形态集合体形态1: 1高岭石高岭石地开石Al4(Si4Oio)(OH)87.17.2,3.58假六方板状鳞片状板条状书页状蠕虫状手风琴状塔晶细微棒状埃洛石埃洛石Al4(Si4O1o)(OH)810.05针管状巢状蒙脱石Rx(AlMg)2(Si4O1o)Na12.99弯片状蜂窝状蒙皂石皂石(OH)24H2OCa15.50皱皮鳞片状絮团状2: 1伊利石KAl(AlSi 3)。10)鳞片状蜂窝状水云母海绿石(OH)2. mH2O10碎片状丝缕状
11、蛭石毛发状薄片状玫瑰花状各种FeMgAl的层状硅酸盐，14,7.14,2: 1: 1绿泥石绿泥石同形置换普遍4.72, 3.55鳞片状绒球状针叶片状叠片状2: 1海泡石山软木Mg2A12 (Si8O20) (OH)210.40,棕丝状丝状层链状(OH2)4 m(H2O)43.14,2.59纤维状三、薄片技术1 .薄片分析技术薄片技术是保护油气层的岩相学分析三大常规技术之一，也是最基础的一项分析。应用光学显微镜观察薄片，由铸体薄片获得的资料比较可靠。制作铸体薄片的样品最好是成形岩心，不推荐使用钻屑。薄片厚度为0.03mm,面积不小于15mrW 15mm。未取心的情况除外，建议少用或不用钻屑薄片，
12、因为岩石总是趋于沿弱连接处破裂，胶结致密的岩块则能保持较大的尺寸，这样会对孔隙发育及胶结状况得出错误的认识。2 .薄片分析技术在保护油气层中的应用1）岩石的结构与构造薄片粒度分析给出的粒度分布参数可供设计防砂方案时参考，当然应以筛析法和激光粒度分析获得的数据为主要依据。研究颗粒间接触关系、胶结类型及胶结物的结构可以估计岩石的强度，预测出砂趋势。对砂岩中泥质纹层、生物搅动对原生层理的破坏也可观察，当用土酸酸化时，这些粘土的溶解会使岩石结构稳定性降低，诱发出砂。2）骨架颗粒的成分及成岩作用沉积作用、压实作用、胶结作用和溶解作用强烈地影响着油气层的储集性及敏感性。了解成岩变化及自生矿物的晶出顺序对测
13、井解释、敏感性预测、钻井完井液设计、增产措施选择、注水水质控制十分有利。3）孔隙特征薄片分析获得孔隙成因、大小、形态、分布资料，用于计算面孔率及微孔隙率。研究地层微粒及敏感性矿物在孔 隙和喉道中的位置及与孔喉的尺寸匹配关系，可以判断油气层损害原因，并用于综合分析潜在的油气层损害，提出防治 措施。例如，低渗一致密油气层使用高分子有机阳离子聚合物粘土稳定剂时，虽可有效地稳定粘土，但由于孔喉细小, 处理剂分子尺寸较大，它同时又损害油气层。4）不同产状粘土矿物含量的估计XRD和红外光谱均不能给出粘土矿物的产状及成因，薄片分析则可说明同一种类型粘土矿物的几种产状（成因） 的相对比例。这一点很重要，因为只
14、有位于孔隙流动系统中的粘土矿物才对外来工作液性质最敏感。此外，薄片分析还 用于粘土总量的校正，如泥质岩屑的存在可能引起粘土总量的升高，研究中应注意区分。沉降法分离出的粘土受粒径限 制，难于反映出较大粒径变化范围（520年）时粘土的真实组成。5）荧光薄片应用荧光薄片提供油存在的有效储集和渗流空间的性质，如孔隙、大小、连通性及裂缝隙发育程度，为更好地了解油 气层损害创造了条件。四、压汞法测定岩石毛管压力曲线由毛管压力曲线可以获得描述孔喉分布及大小的系列特征参数，确定各孔喉区间对渗透率的贡献。1 .基本原理压汞法由于其仪器装置固定、测定快速准确，并且压力可以较高，便于更微小的孔隙测量，因而它是目前国
15、内外 测定岩石毛细管压力曲线的主要手段。使用压汞仪测定岩样的毛细管压力曲线，原理是汞对大多数造岩矿物为非润湿， 对汞施加压力后，当汞的压力和孔喉的毛管压力相等时，汞就能克服阻力进入孔隙，计量进汞量和压力，根据进入汞的 孔隙体积百分数和对应压力就得到毛细管压力曲线。2 .毛细管压力曲线在保护油气层中的应用1）储集岩的分类评价储集岩分类是评价油气层损害的前提，同一损害因素在不同类型的储集岩中的表现存在差异。根据毛细管压力的曲线 特征参数，用统计法求特征值，结合岩石孔隙度、渗透率、孔隙类型、岩性等可以对储集岩进行综合分类。2）油气层损害机理分析油气层微粒的粒度分析、微粒在孔隙中的空间分布及与孔喉大小
16、的匹配关系是分析油气层损害的关键。例如相同 间层比的伊利石/蒙皂石间层矿物，对细孔喉型油层的水敏损害比中、粗孔喉型油气层严重。3）钻井完井液设计屏蔽暂堵型钻井完井液技术中架桥粒子的选择，就是依据由压汞曲线获得的孔喉分布。通过对一个油组或油气层 不同物性级别岩样的毛管压力曲线测定，构制平均毛管压力曲线。架桥粒子即根据平均毛管压力曲线，考虑到出现的最 大孔喉半径，安2/3架桥原理设计的。暂堵型酸化、压裂过程中，暂堵剂粒度的筛选也要参考孔喉分布数据。4）入井流体悬浮固相控制压井液、洗井液、射孔液、修井液、注入水和压裂液等都涉及固相颗粒的含量和粒径大小控制问题，而控制标准 则视油气层储渗质量、孔喉参数
17、而定。研究表明，当颗粒直径大于平均孔喉直径的1/3时，形成外泥饼，1/31/10时会侵入孔喉形成内泥饼，小于1/10时颗粒能自由移动。5）评价和筛选工作液油气层损害的实质是岩石孔隙结构的改变，通过测定岩石与工作液作用前后的岩样毛管压力曲线就能对配伍性有 明确的认识。应用高速离心机法可以快速测定毛管压力曲线，了解工作液作用前后储集岩孔喉分布参数和润湿性变化。五、岩心分析技术应用展望尽管用于分析岩心的许多技术早已存在，但石油地质家及石油工程师从未象今天这样共同关心并应和岩心分析技 术来深入揭示油气层的微观特性。一些传统技术因使用目的转变，而被赋与新的含义。如铸体薄片技术，从最初便于观 察孔隙出发，
18、如今则主要利用其保护粘土矿物不致在制片过程中发生脱落。XRD技术对粘土矿物的研究与认识起到了巨大的推动作用，1985年以前，国内尚无大家接受的粘土矿物含量计算公式，今天从粘土分离提取、数据处理，乃至间层 比的计算都已形成石油行业标准，可以说近十几年发生了质的飞跃。扫描电镜等一些先进的分析技术，目前的应用与其 所能揭示的大量信息相比，技术潜力还有待充分开发。同时，一些新技术正在不断涌现，及时地引入到石油工程领域， 解决工程问题已成为地质家及石油工程师的共同使用。表2-5将几种常用技术做一归纳，表明在研究中需要将这些技术组合应用，方能获得岩石性质的全貌。新技术的应用主要表现在以下几个方面。1 .傅
19、里叶变换红外光谱分析采用傅里叶变换红外光谱仪，测定矿物的基团、官能矿物的基团、官能团来识别和量化常见矿物，分析迅速，精度与XRD相似，能定量分析的矿物有石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿、硬石膏、重晶石、绿泥石、高岭石、伊利石和蒙皂石总和，以及粘土总量，对非晶质物、间层粘土矿物的构造特性分析有独到之处，国外 已将其用于井场岩石矿物剖面分析图的快速建立，国内亦逐渐成为分析敏感性矿物，尤其是油气层粘土矿物的有力手段, 但由于其对鉴定间层粘土矿物的局限性，要完全代替XRD是不可能的。表2-5几种主要岩心分析技术的特点及应用项目内容X射线衍射扫描电镜铸体薄片电子探针压汞毛管压力曲线测
20、定红外光谱1.压片法分1.耗样少，制1.特别适于孔1.直接在岩石薄1.可以用柱1.制样简单，分析快析迅速、简样简单，不隙结构的研究，片上对其分析，塞，也可以用速；主便；破坏原样；如面孔率、孔隙不用分离和提不规则岩样；2.能进行全岩分析；2.能进行全2.观察视场形态大小、连通纯；2.与薄片比3.对非晶质矿物、粘要岩分析；大，立体感性；2.分析范围由B5较，能提供较土矿物的成分、结用3.鉴定粘土强；2.可以观察岩和U92 ,灵敏度大体积岩样构反映灵敏；矿物类型、3.对孔隙类石类型、结构、高，以氧化物形的孔喉分布4.对膨胀性矿物，可途间层作用、型、形态、显微构造；式给出定位矿物状况；获得内部构造中吸
21、多型、结晶大小、连通3.通过矿物染的化学成分；3.结合铸体薄附成分，交换性离及度；关系进行观色，能给出碳酸3.微区范围可达片孔隙图象子、自由水分子和4.粘土混和测；盐矿物含铁量Rm,与电镜联分析，能求出配伍水分子以及氧特物的定量或4.给出粘土的信息；合可以给出不同一组描述孔化硅表面的相互作半定量分析矿物形态，4.研究矿物的产状、形态矿物隙结构的特用方面的信息；占八、产状及分布 不均匀性方面的信息成因、品出顺序的化学成分征参数5.对粘土混和物进 行定量、半定量分 析1.微量组分1.不能给出1.对微孔隙无1.对微量元素，1.不能直接给1.不能鉴定微量组不易鉴定准确的化学能为力；分析精度低；出矿物学
22、方分，最低检测极限同出，全岩分成分；2.对粘土矿物2.分析费用较面的信息；XRD,即 510%;局析时应加注2.对粘土矿微结构研究提高，限制了进行2.根据微孔隙2.不能给出各组分限息；物相对含量供很少的资料；大量样品分析，量可以推测的产状及分布；2.只能提供只能给出大3.对粘土矿物一般仅用于关大致的粘土3.不能用于鉴定间性少量的有关概的比例；多型、间层分析键，疑人矿物的含量，很少的层粘土矿物、区分各组分的分 布方面的信 息，不能给3.对多型、间 层作用不易 识别；几乎无作用鉴定、分析成岩作用信息各种类型的有序度出产状；3.对无序物 质产状、部 分类型同象 替代的反映 不灵敏4.仅根据形 态有时
23、会错 误判断矿物 类型2 .CT扫描技术将医学上应用的CT扫描技术引人到岩心分析中，主要原理是用 X射线照射岩心，得到岩心断面上岩石颗粒密度 的信息，经计算机处理转换成岩心剖面图，它可以在不改变岩石形态及内部结构的条件下观察岩石的裂缝和孔隙分布。 当固相物侵入岩心时，能够对固相侵入深度及其在孔喉中的状态进行监测，也可以观察岩样与工作液作用后的孔隙空间 变化。目前这项技术主要用于高渗透疏松砂岩和裂缝性储层的损害研究中，如出砂机理、稠油蚯蚓孔道的形成、侵入裂 缝的固相分布、岩心内泥饼的分布形态等。3 .核磁共振成象技术简称NMRI,它能够观测孔隙或裂缝中流体分布与流动情况，因此对于流体与流体之间，
24、流体与岩石之间的相互 作用，以及润湿性和润湿反转问题的研究有特殊意义，是研究油气损害的最新手段之一。NMRI测井技术发展很快，主要用于剩余油的分布探测，已成为提高采收率的重要评价技术。4 .扫描电镜技术扫描电镜技术在制样和配件方面发展较快，在 SEM上配置能谱仪（EDS）可以对矿物提供半定量元素分析，对敏 感性矿物的识别及损害机理研究有很大的帮助。背散射仪的应用免除镀膜对粘土形貌的改变，更宜于试验前后的样品观 察。止匕外，临界点冷冻干燥法，能够揭示粘土矿物在油气层条件下的真实形态。扫描电镜与图象分析仪使用，研究粘土 矿物微结构并预测微结构的稳定性，是油井完井技术中心近年来将土壤科学和工程地质理
25、论引入到石油工程中的最新进 展。5 .非晶态矿物和纳米矿物学研究油气层中非晶态矿物有蛋白石、水铝英石、伊毛缩石、硅铁石等，还有比粘土矿物微粒更小的纳米级矿物。它们 或单独产出，或存在于粘土矿物晶体之间，起到连接微结构的作用，比表面更大，性质更活跃。研究方法主要有化学分 析、电子探针、原子力显微镜等。油井完井技术中心对吐哈盆地丘陵三间房组砂岩高岭石进行电子探针分析，指出高岭石化学组成很少符合理论组成，SiO2、AI2O3经常过量，这种硅、铝部分以非晶态存在，它们易于溶解并促使高岭石微结 构失稳。6 .环境扫描电镜的应用一般扫描电镜要求在真空条件下进行实验，而环境扫描电镜则可以在气体、液体介质环境下分析样品。国外已开 始利用此项技术研究膨胀性粘土矿物与工作液作用的机理，分析粘土矿物间层比和遇水膨胀的关系、水化膨胀和脱水过 程的差异等。因此，环境扫描电镜是损害机理研究和工作液评价的有力手段。目前，我国已引进了这种仪器。综上所述，岩心分析技术在认识油气层特征、研究油气层损害机理及保护油气层工程设计中具有广泛的应用。每 种技术都有其优点及局限性，实际工作中要具体问题具体分析，并制定一套切实可行的技术路线。各项技术本身在石油 工程中的应用还有秀大的潜力尚待开发，同时工程实践中也不断提高许多新问题，需要创造性地应用先进技术来解决。