岩心分析技术简版汇总.doc

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射线衍射（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，用蒸馏水浸泡，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2μm（泥、页岩）或小于5μm（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，包括自然干燥的定向片（N片）、经乙二醇饱和的定向片（再加热至550℃），或盐酸处理之后的自然干燥定向片。粒径大于2μm或5μm的部分则研磨至粒径<40μm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37μm（或44μm）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5μm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 d00l值鉴定粘土矿物类型，表2-2列出了各族主要粘土矿物的d001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”求出粘土矿物相对含量。
表2-2  各族主要粘土矿物的d001（10-1nm）X射线衍射特征
矿  物
d001
d002
d003
d004
d005
蒙皂石
12~15

4~5

2.4~3
绿泥石
14.2
7.1
4.7
3.53
2.8
蛭石
14.2
7.1
4.7
3.53
2.8
伊利石
10.0
5.0
3.33
2.5

高岭石
7.15
3.58
2.37

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
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-蒙皂石； 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、分散的特性。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BaSO4。
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
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2—4），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
d001
10－1nm
单体形态
集合体
形态
1：1
高岭石
高岭石
地开石
Al4(Si4O10)(OH)8
7.1~7.2,
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
埃洛石
埃洛石
Al4(Si4O10)(OH)8
10.05
针管状
细微棒状
巢状
2：1
蒙皂石
蒙脱石
皂石
Rx(AlMg)2(Si4O10)
(OH)24H2O
Na~12.99
Ca~15.50
弯片状
皱皮鳞片状
蜂窝状
絮团状
水云母
伊利石
海绿石
蛭石
KAl((AlSi3)O10)
(OH)2．mH2O
10
鳞片状
碎片状
毛发状
蜂窝状
丝缕状
2：1：1
绿泥石
各种
绿泥石
FeMgAl的层状硅酸盐，同形置换普遍
14 , 7.14,
4.72, 3.55
薄片状
鳞片状
针叶片状
玫瑰花状
绒球状
叠片状
2：1
层链状
海泡石
山软木
Mg2Al2 (Si8O20) (OH)2 (OH2)4·m(H2O)4
10.40,
3.14 , 2.59
棕丝状
丝状
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15mm×15mm。未取心的情况除外，建议少用或不用钻屑薄片，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—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（5~20μm）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，1/3~1/10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，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定
红外光谱
主
要
用
途
及
特
点
1.压片法分析迅速、简便；
2.能进行全岩分析；
3.鉴定粘土矿物类型、间层作用、多型、结晶度；
4.粘土混和物的定量或半定量分析

1.耗样少，制样简单，不破坏原样；
2.观察视场大，立体感强；
3.对孔隙类型、形态、大小、连通关系进行观测；
4.给出粘土矿物形态，产状及分布不均匀性方面的信息
1.特别适于孔隙结构的研究，如面孔率、孔隙形态大小、连通性；
2.可以观察岩石类型、结构、显微构造；
3.通过矿物染色，能给出碳酸盐矿物含铁量的信息;
4.研究矿物的成因、晶出顺序
1.直接在岩石薄片上对其分析，不用分离和提纯；
2.分析范围由B5和U92，灵敏度高，以氧化物形式给出定位矿物的化学成分；
3.微区范围可达1μm，与电镜联合可以给出不同产状、形态矿物的化学成分

1.可以用柱塞，也可以用不规则岩样；
2.与薄片比较，能提供较大体积岩样的孔喉分布状况；
3.结合铸体薄片孔隙图象分析，能求出一组描述孔隙结构的特征参数

1.制样简单，分析快速；
2.能进行全岩分析；
3.对非晶质矿物、粘土矿物的成分、结构反映灵敏；
4.对膨胀性矿物，可获得内部构造中吸附成分，交换性离子、自由水分子和配伍水分子以及氧化硅表面的相互作用方面的信息；
5.对粘土混和物进行定量、半定量分析
局
限
性
1.微量组分不易鉴定出，全岩分析时应加注意；
2.只能提供少量的有关各组分的分布方面的信息，不能给出产状；
3.对无序物质产状、部分类型同象替代的反映不灵敏
1.不能给出准确的化学成分；
2.对粘土矿物相对含量只能给出大概的比例；
3.对多型、间层作用不易识别；
4.仅根据形态有时会错误判断矿物类型
1.对微孔隙无能为力；
2.对粘土矿物微结构研究提供很少的资料；
3.对粘土矿物多型、间层分析几乎无作用
1.对微量元素，分析精度低；
2.分析费用较高，限制了进行大量样品分析，一般仅用于关键，疑人矿物的鉴定、分析
1.不能直接给出矿物学方面的信息；
2.根据微孔隙量可以推测大致的粘土含量，很少的成岩作用信息

1.不能鉴定微量组分,最低检测极限同XRD,即5~10%；
2.不能给出各组分的产状及分布；
3.不能用于鉴定间层粘土矿物、区分各种类型的有序度
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，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。此外，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、伊毛缟石、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、Al2O3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。