岩心分析技术

第二章岩心分析技术游利军西南石油大学/石油工程学院油井完井技术中心岩心分析技术认识油气层地质特征的必要手段油气层的敏感性评价、损害机理的研究、油气层损害的综合诊断、保护油气层技术方案的设计的基础保护油气层技术系列中不可缺少的重要组成部分，也是保护油气层技术这一系统工程的起始点哈萨克斯坦扎那若尔油田，石炭系鄂尔多斯盆地北部气田，二叠系川西新场气田，侏罗系沙溪庙组2092井微裂缝系统放大50倍储层的物理化学性质主要取决于粘土矿物的结构特性样品采自川西新场蓬莱镇组砂岩1概述1.1岩心分析的目的评价油气层岩石物理性质，揭示岩石中敏感性矿物类型、产状、含量和分布特点确定潜在损害类型、程度和原因为保护方案设计提供依据和建议1.2油气藏工程地质描述保护油气层技术的基础岩心分析是工程地质描述的重要手段工程地质描述的目的：–准确认识油气层的初始状态–打开油气层后对环境变化后的响应（1）微观尺度——孔隙、颗粒尺寸分布——矿物类型、结构（2）宏观尺度——岩心孔隙度、渗透率——岩心饱和度、润湿性——天然裂缝（3）大型尺度——测井、地震数据（4）巨型尺度——试井、油藏规模1.3油气藏工程地质描述内容（1）矿物性质：敏感性矿物类型、产状和含量（2）渗流多孔介质性质：孔渗性、孔隙和喉道（3）岩石表面性质：比面、润湿性、吸入特性（4）地层流体性质：油气水组成、高压物性、析蜡点、凝固点、原油酸值等（5）油气藏环境：内部环境和外部环境（6）矿物—渗流介质—流体对环境变化的敏感性及可能的损害趋势和后果岩心岩石物理性质、k测定铸体薄片扫描电镜压汞技术图象分析接触角法岩石结构与矿物铸体薄片X射线衍射扫描电镜电子探针红光谱孔隙度渗透率孔隙结构岩石表面性质岩石的稳定性与强度地层微粒和矿物的稳定性地层流体化学分析光谱分析色谱分析高压物性结垢趋势及类型内部环境压力温度原地应力天然驱动能量外部环境流速工作液性质外来固相侵入压差潜在油气层损害和敏感性保护油气层技术措施建议岩心分析的内容和分析方法与敏感性及损害评价的关系室内敏感性评价和工作液筛选使用的岩心数量有限，不可能全部考虑油气层物性及敏感性矿物所表现出来的各种复杂情况岩心分析则能够确定某一块实验岩样在整个油气层中的代表性，进而可通过为数不多的实验结果，建立油气层敏感性的整体轮廓，指导保护油气层工作液的研制和优选1.4岩心分析的内容岩心分析是指利用各种仪器设备来观测和分析岩心一切特性的系列技术岩心是地下岩石（层）的一部分，所以岩心分析是获取地下岩石信息的十分重要的手段应用中要根据具体的油气层特点进行选择分析，做到既能抓住主要矛盾，解决实际问题，又要经济实用，注意发挥不同技术的优点，配套实施常规岩心分析的内容岩石物理性质–常规物性：孔隙度、渗透率、比表面、相对渗透率、润湿性–孔隙结构：孔隙和喉道的类型、大小、形态、分布、连通性；孔喉大小及分布岩石结构与矿物–骨架颗粒：石英、长石、岩屑、云母–填隙物：粘土矿物、非粘土矿物–岩石结构：层理、接触关系、粒度大小及分布岩心分析揭示的内容及所用的方法内容方法常规条件总孔隙度、连通孔隙度气测法、煤矿油饱和法孔隙度仪孔隙度模拟围压总孔隙度CMS-300全自动岩心分析仪渗透率空气渗透率、煤油渗透率、地层水渗透率；水平渗透率、垂直渗透率、径向渗透率、全直径岩心渗透率；模拟围压渗透率渗透率仪CMS-300全自动岩心分析仪比表面压汞或等温吸附法相渗透率气-水、油-气、气-油-水稳态法、不稳态法常规物性润湿性油湿、水湿、中间润湿接触角测量、阿莫特（自吸人）法、离心机法毛管压力曲线测定孔隙-喉道类型、大小、形态、连通性、分布铸体薄片、图象分析、SEM、X射线、CT扫描、NMR岩石物理性质孔隙结构孔喉大小、分布压汞法、离心机法毛管压力曲线测定粒度大小、分布筛析法、薄片粒度图象分析骨架颗粒石英、长石岩屑、云母接触关系、成分、含量、成岩变化铸体薄片、阴极发光、XRD全岩分析、红外光谱产状铸体薄片、SEM粘土矿物类型、成分、含量铸体薄片、XRD、红外光谱、沉降分离法、电子探针或能谱产状岩石薄片、SEM岩石结构与矿物填隙物非粘土矿物类型、成分、含量薄片染色、XRD全岩分析、红外光谱、碳酸盐含量测定1.5取样要求钻屑、井壁取心、岩心，推荐使用成形岩心了解岩石“岩性、物性、含油气性、电性”基础上，有重点地进行选择分析铸体薄片：1~5块/米，包括岩石的各种极端情况XRD、SEM样品密度大致为前者1/2~1/3压汞毛管压力曲线，3~5样/油组或渗透率级别油气层加密，水层和夹层控制性分析推荐在一段岩心上进行配套分析推荐的取样方式最好在同一段岩心上取足配套分析的柱塞铸体薄片、扫描电镜、压汞分样需在同一柱塞上进行，这有利于建立孔隙分布与孔喉分布参数间的关系，以及孔隙结构与岩性、物性、粘土矿物之间的联系XRD分析可以用碎样，但应清除被泥浆损害的部分，否则会干扰实验结果。电子探针分析可用其它柱塞端部在所有分析项目完成后，就能指出潜在的损害类型及原因，预测不同渗透率级别（储层类型）的油气层的敏感程度，正确解释敏感性评价实验结果井底取出岩心CoringSample取样30实验岩心303030303030SliceSEMK、F、CapillarypressureRXD2X射线衍射分析（XRD）X射线衍射原理X射线衍射仪实验样品制备在保护油气层研究中的应用分析原理X射线是波长很短的电磁波，波长2.5-0.1x10-1nm，射线通过晶体时发生干涉现象Bragg公式:n=2dsind——面网间距；与晶胞形状和大小有关n——整数——射线波长——射线与样品夹角2.1X射线衍射原理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X射线衍射仪结构示意图2.2X射线衍射仪DMX-3C型2.3实验样品制备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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X射线衍射分析制片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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2.4XRD分析技术的应用地层微粒分析，粒径37微米组分全岩分析，粒径5微米组分粘土矿物分析，粒径5微米组分–类型鉴定和含量计算–间层矿物鉴定和间层比计算无机垢分析（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）粘土矿物分析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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粘土矿物的基本层型（硅氧四面体与八面体的连接方式）A、B—1：1型；C、D—2：1型常见粘土矿物的结构式高岭石晶体结构(1:1)蒙皂石晶体结构(2:1)绿泥石晶体结构(2:1+1)伊利石晶体结构(2:1)各族主要粘土矿物的d001（10-1nm）X射线衍射特征矿物d001d002d003d004d005蒙皂石12~154~52.4~3绿泥石14.27.14.73.532.8蛭石14.27.14.73.532.8伊利石10.05.03.332.5高岭石7.153.582.37利用粘土矿物特征峰的d00l值鉴定粘土矿物类型主要间层粘土矿物类型云母绿泥石非膨胀组分有序度二八面体三八面体二八面体三八面体高岭石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-黑云母主要间层粘土矿物类型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。伊利石/蒙皂石间层矿物、绿泥石/蒙皂石间层矿物较常见。柯绿泥石XRD图谱样品采自川西侏罗系蓬莱镇组砂岩（4）无机垢分析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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3扫描电镜分析技术油气储层研究中的应用——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3.1扫描电镜原理和仪器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扫描电子显微镜（XL30型，EDAX4型）3.2样品制备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样品制备方面新进展: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3.3扫描电镜分析应用油气层中地层微粒的观察粘土矿物的观测油气层孔喉的观测含铁矿物的检测油气层损害的监测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、运移造成的损害粘土矿物的观测粘土矿物有其特殊的形态借此可确定粘土矿物的类型、产状和含量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高岭石集合体，鄂北上古生界致密砂岩蒙皂石蜂窝状集合体，川西白马，侏罗系蓬莱镇组毛发状伊利石，鄂北上古生界致密砂岩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d00110－1nm单体形态集合体形态高岭石高岭石地开石Al4(Si4O10)(OH)87.1~7.2,3.58假六方板状鳞片状板条状书页状蠕虫状手风琴状塔晶1：1埃洛石埃洛石Al4(Si4O10)(OH)810.05针管状细微棒状巢状蒙皂石蒙脱石皂石Rx(AlMg)2(Si4O10)(OH)24H2ONa~12.99Ca~