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第二章-岩心分析

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第二章 岩 心 分 析( 心分析是认识油气层地质特征的 必要手段 ,是取得油气层地质资料的 一项基础工作 。油气层敏感性评价 、损害机理研究 、损害的综合诊断、保护油气层技术方案的设计都必须建立在岩心分析的基础之上。岩心分析(定义): 是指利用能揭示岩石本性的各种仪器来观测和分析岩石一切特性的一类技术;分析的样品: 井下岩芯、钻屑和井壁取芯;主要方法: 描电镜、岩石薄片 三大常规常规岩心分析技术;岩石分析技术的方法很多,有偏光显微镜、阴极发光显微镜、荧光显微镜、激光显微镜、 扫描电镜( 电子显微镜)、显微镜图象分析、 电子探针、差热及热重分析、紫外光谱、红外光谱、 子活化、核磁共振、 岩石薄片 (薄片染色微化分析)等。由于岩石是矿物的集合体,所有这些分析技术主要对 组成岩石的矿物成分、形态、大小相互排列关系以及岩石孔隙类型、形态、大小、面孔率、孔喉配位关系(孔隙结构) 等进行分析鉴定。第一节 面认识油气层的岩石物理性质及岩石中敏感性矿物的类型、产状、含量及分布特点 ;一、岩心分析的目的意义确定油气层潜在损害类型、程度及原因;为各项作业中保护油气层工程方案设计提供依据和建议;现了岩心分析在油气层地质研究中的核心作用。岩心分析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。二、岩心分析的内容岩心是地下岩石 (层 )的一部分,所以岩心分析是获取地下岩石信息十分重要的手段。储集层敏感性在很大程度上取决于孔隙中 敏感性矿物的类型、含量和所处的位置 以及储层 孔隙大小、形态、孔喉配位状况等 。利用岩心分析技术得出的数据资料,就能描述出储集层孔隙系统中敏感性矿物对储集层敏感性的潜在影响。内 容 方 法岩石物理性质常规物性孔隙度 常规条件 总孔隙度、连同孔隙度气测法、煤油饱和法孔隙度仪模拟围压 总孔隙度 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 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结构孔隙 型、大小、形态、连通性、分布 铸体薄片、图像分析、 小、分布 压汞法、离心机法毛管压力曲线测定岩石结构与矿物骨架结构石英、长石岩屑、云母粒度大小、分布 筛析法、薄片粒度图像分析接触关系、成分、含量、成岩变化 铸体薄片、阴极发光、 (全岩分析、红外光谱填隙物粘土矿物产状 铸体薄片、 分、含量 铸体薄片、 外光谱、沉降分离法、电子探针或能谱非粘土矿物产状 岩石薄片、 分、含量 薄片染色、 外光谱、碳酸盐含量测定表 2岩心分析揭示的内容和所用的方法三、取样要求岩心分析的样品可以来自全尺寸成形的岩心,也可以是井壁取心或钻屑。经验表明,钻屑的代表性很差,故通常使用成形岩心,而且多个实验项目可以进行配套分析,便于找出岩石各种参数之间的内在联系。岩石结构与矿物分析、孔隙结构的测定要在了解油气层岩性、物性、含油气性、电性的基础上,有重点的进行选样分析。第二节 粘土矿物的概念和结构特点一、粘土矿物的基本概念定义: 细分散的晶质含水 层状 硅酸盐矿物和含水非晶质硅酸盐矿物的总称。晶质含水层状硅酸盐矿物: 高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等,含水非晶质硅酸盐矿物: 水铝英石 (胶硅铁石 ( 。特点: 粘土矿物颗粒通常很细,大约 1~5μm,一般小于 2μm。二、面体 :指 中心、 好是四个面故称四面体。因它由 故又称 2个硅氧四面体氧 硅② 四面体片: 在一个平面上四面体以三个顶点相连结,第四个顶点都指向同一个方向,这样连续成一系列 六边形网面 ,称为四面体片, 简称晶片 。四面体晶片用符号( T)表示。图 2氧四面体面片氧 硅③ 八面体: 指 或 在中心、四周有六个阴离子称为八面体。因其由 又称它为 八面体 。氧 铝、镁等图 2个铝氧(或氢氧)八面体氧(氢氧) 铝、镁等图 2氧(或氢氧)八面体面片④ 八面体片: 由八面体沿一个平面相互连接而成,以 (O )表示。⑤ 晶层: 由一层四面体片与一层八面体片叠合而成为一层或由两层四面体片夹一层八面体片叠合而成为一层称为 结构单元层 ,简称 晶层 。T)和八面体片( O)配套叠合为一层(晶层),据其叠合配套数不同有下列几种类型:① 1:1型), 高岭石属此类。② 2:1型), 蒙脱石、伊利石属此类。③ 型结构(或 2:1+ 1型), 绿泥石属此类。三、各类粘土矿物晶体的结构特征1. 1:1型的粘土矿物( T)和一片 O)叠合成一个单元结构层,称为 1:1型或 种类型的矿物有 高岭石 、地开石、埃洛石等。高岭石结构化学式为 (,其结构示为:图 2:1型层状粘土 (高岭石)晶面间距 1010层间的作用力: 范德华引力、氢键力;特点:高岭石是比较稳定的 非膨胀性粘土矿物 ,一般不易水化分散。在外力作用下,层间会产生分散迁移 (速敏), 损害储集层渗透率。相邻两晶层结合紧密,水不易进入晶层之间。晶面间距小,几乎无阳离子交换。在机械力 (包括一定高流速流体的流动冲击 )作用下,层间会产生分散迁移,损害储集层渗透率。由两片 l(O(面体片结合成一单个单元结构层。蒙脱石和伊利石属于此种类型的粘土矿物。2. 2:1型的粘土矿物( - 蒙脱石图 2:1型层状粘土 (蒙脱石)典型蒙脱石的结构化学式:( · 间物为 : K+、 、 + 、 面间距 晶面间距比高岭石大,蒙脱石的 10层间的作用力: 范德华引力 (相邻两晶层为氧原子面 ), 无氢键力 ;特点:单元结构层内的阳离子 ( 能被其它阳离子( 、 )部分置换。高价离子被低价离子置换后造成的正电荷亏损,则由吸附在晶体外表和晶层的可交换性阳离子( )来 中和平衡 。特点:层间可交换性的阳离子可自由地进出,为阳离子交换提供了十分有利的条件。晶面间距大 ,容易进行阳离子交换。相邻两晶层结合不紧密,水易进入晶层之间。表现出明显的膨胀性。蒙脱石是易膨胀性粘土矿物,一般与水接触后易产生水化膨胀和分散运移(水敏),损害储集层渗透率!3. 伊利石矿物( 2:1型的粘土矿物 利石的一般结构式如下:Kx+y(10(图 2:1型 伊利石 离子交换主要是 以不均衡电荷主要在四面体片内,距离层间阳离子很近,当结构层中出现阳离子 K+时,便被紧紧地吸附住,并恰好嵌在上下两个四面体晶片间氧原子的六方网眼中 (K+离子半径大约 102个四面体六方网眼半径为 10下两个为 2× 10成一种强键,致使水存在时难以进入晶层间,引起晶层的膨胀。 所以伊利石是一种不膨胀的粘土矿物 。晶面间距 ( 10× 10点:弱酸性水的淋滤作用,因 K+离子对此很敏感,最终会导致晶层中的 K+离子脱出为其它阳离子( 、 代,以至边缘破键的吸附水也随之进入晶层间,导致晶层膨胀,晶面间距可达 14× 10种脱 Κ+伊利石称为蚀变伊利石或降解伊利石。特点:4. 2:1+1型( 型)粘土矿物 - 绿泥石这类粘土矿物类似伊利石结构,即两个 同之处是多出一片氢氧镁石 (水镁石 )八面体片。图 2:1+1型绿泥石结构图绿泥石的结构化学式为:{ ( } ( H)12} n+绿泥石的阳离子交换容量比蒙脱石少,而近似伊利石的阳离子交换量。在绿泥石的两个四面体片夹一个八面体晶片中,由于低价 换高价造成的正电荷亏损(显负电性)由其附加在晶层间的八面体晶片中的高价阳离子 换低价阳离子 赢得的正电荷来平衡。蚀变绿泥石因水镁石八面体晶片酸蚀失去了 将同伊利石失去 K+一样,而出现晶层膨胀。蚀变绿泥石也称降解绿泥石。特点:绿泥石晶层间联系力除了范德华引力和水镁镁石八面体上 键 外,就是阳离子交换后形成的静电力。所以绿泥石晶层一般 不具有膨胀性 。晶层间距( 10三节 岩心分析技术及应用一、 析技术1. 包括准晶体 )物质进行分析。该分析技术能 定性鉴定或定量 测定出各 物相种类 及其 含量 ,通常测出的物相是固态相组成,而不是元素。样品要求: 细粉晶状态,可以是两种以上不同粉晶的混合样品。所以又称为粉晶 当 一种结晶物质都有自己独特的衍射花样,它们的衍射特征可以用各个反射面网的面网间距 (和反射的相对强度 (I/ 表征。其中面网间距 对强度 (I / 与晶体质点的种类及其在晶胞中的位置有关。任何一种结晶物质的衍射数据 I / 都是其晶体结构的必然反映,它在衍射图谱上表现出不同的衍射角和不同的衍射峰高 (强度 )。因而可以根据它们来鉴别各类结晶物质包括岩石中各种矿物组成。0岩石粉晶 射线衍射仪来实现,它主要由 光源、测角仪 、成 。能快速准确测定全岩矿物组分和粘土矿物组分。定性分析特点:定量分析(相对含量)粘土矿物分离方法 :先将岩石抽提干净,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 2、页岩)或小于 5岩)的部分,沉降分离、烘干;包括自然干燥的定向片、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。7µm (或 44µm)即能通过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。µ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 (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。10 )d 001d 002d 003d 004d 005族主要粘土矿物的 射线衍射特征矿物蒙皂石 12~15 — 4~5 — 绿泥石 高岭石 — 2要间层粘土矿物类型( 1985 )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 三八面体近程有序纳板石(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)( ( ( ——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 /皂石)绿泥石 /蒙皂石(绿泥石 /蛭石)高岭石 /蒙皂石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 5983利石 /蒙皂石间层矿物 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。描电镜 (. 分析原理用途: 能提供孔隙内充填物的矿物类型、大小、产状的直观资料,同时也是研究孔隙结构的重要手段。测试仪器: 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 。原理: 利用类似电视摄像与显像的方式,用细聚焦电子束 在样品表面上由点到行(逐行)扫描,激发出能够反映样品表面特征的电信号,经探测器放大处理后显示出样品的电子图象。有些扫描电镜配有此能进行微区元素分析。云母片间隙粒间分布叶片状绿泥石,见片状伊利石长石粒内溶蚀孔隙粒间分布叶片状绿泥石,见石英次生加大晶面粒间分布的书页状高岭石粒间泥质胶结紧密特点: ①耗样少、制样简单;②观测视场大、立体感强;③放大倍数范围宽且连续可调;④直观、快速、有效;⑤可对污染前后的样品进行对比观测。样品制备方法: 将岩样抽提清洗干净,加工出新鲜面作为观察面,用导电胶固定在样品桩上,自然晾干,最后在真空镀膜机上镀金 (或碳 ),使样品必须有良好的导电性能。样品直径一般不超过 污染试验的岩心样品,要尽量保证原样形貌。小、数量、分布状态等资料。能有效地估计 临界流速和速敏程度。借此可确定粘土矿物的类型、产状和含量。表 2 矿物 化学分子式 10体形态 集合体形态1:1高岭石 高岭石地开石 8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 管状 细微棒状 巢状2:1蒙皂石 蒙脱石蒙皂石 (10(∙0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 形置换普遍 14, 层链状 海泡石 山软木(∙m(适于观察孔喉的形态、大小及与孔隙连通关系。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圈相侵入很有意义。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。三、透过可见光)的岩心薄片固定在两层玻璃片之间,在光学显微镜下观察薄片 孔隙结构和填隙物情况 。制作铸体薄片的样品最好是成形岩心,面积不小于 1515薄片分为:偏光薄片、铸体薄片、图象分析薄片、阴极发光薄片、荧光薄片、染色薄片等。偏光薄片技术这是岩石分析最基本的薄片,仅作部分染色处理。利用偏光显微镜,观测各种矿物的光学性质,识别出是何种矿物及矿物的含量。同时, 观测出颗粒的大小、分选、磨圆和孔隙形状、大小及孔隙中自生矿物的分布性等关系。② 铸体薄片制片前必须对岩心进行洗油、抽空后,在特定温度、压力下,把带色的环氧树脂灌注到岩石孔隙之中,待树脂凝固后,再去磨至 镜下观测用。由于岩石孔隙中的油被洗净而充填了带色(一般是黄、兰、红、绿色)的环氧树脂,所以带色的树脂部分就是代表岩石二维空间的孔隙结构状态。镜下观测这种薄片,可以较准确地测定岩石薄片中的孔隙结构、面孔率、裂缝率、裂缝密度、宽度和孔喉配合数等。③ 阴极发光薄片技术薄片洗油后不作其它处理,厚约 加盖片。将阴极发光投射在岩石矿物颗粒表面上,视其发光的颜色、强度、亮度来鉴别矿物组成,特别是识别成岩矿物的特点。此类薄片还可以作电子探针分析用。薄片不洗油、厚度为 结不能用发光胶。因为要通过荧光观测烃类成分和分布。发光的颜色反映沥青的组分,发光的亮度反映沥青的含量,发光的产状反映沥青在围岩中分布情况等,直接观测出结果。④ 荧光薄片技术吴 438 粒间孔 吴 438 粒间孔吴 433 粒间孔 吴 433 粒间孔石英颗粒具破裂愈合现象方解石胶结 (橙红色光 吴 438)了解 岩石的结构与构造薄片粒度分析、颗粒间接触关系、胶结类型、胶结物结构。② 骨架颗粒的成分及成岩作用③ 孔隙特征孔隙成因、大小、形态、分布,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。④ 不同产状粘土矿物含量的估计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。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。四、压汞法测定岩石毛管压力曲线c c o o rp 毛管压力曲线 (油藏岩石的毛管压力和非湿相 (湿相 )饱和度的关系曲线 )可以获得描述孔喉大小及分布规律的系列特征参数。35.0毛管压力, µ替时 毛管压力对应的是 喉道半径 ;吸入时 毛管压力对应的是 孔隙半径 。测定速度快, 1~2小时;对样品的形状、大小要求不严。可以测定不规则岩屑的毛管压力曲线。研究岩石孔隙结构②储集层的分类评价③ 油气层损害机理分析④ 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,按 2/3架桥原理设计的。⑤ 入井流体悬浮固相控制入井流体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。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和储集岩润湿性及润湿性变化,了解工作液作用前后储集岩孔喉分布参数和润湿性变化。⑥ 评价和筛选工作液五、当光量子照射一物质时,该物质就要吸收一部分光量子,并将它转变为一种能量,即在红外吸收的情况下,转变为矿物晶体的晶体振动能。因此,若将透过的光用单色器进行色散,就可以得到一条或数条暗色谱带,如果波长或波数为横坐标,以百分数吸收率或透色率为纵坐标,就得到了该物质的红光谱图。 各种矿物下同,红外光谱的吸收谱带的位置、强度和形状也不同,用以来推定物质中的分子所含的官能团及其分子结构不同, 这种不同所得出的红外谱图,就是对比鉴定矿物的依据。并能做到从定性到定量分析。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 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。射线显微分析,是运用高速细电子束作为荧光 射线光谱分析的一种技术。由于它的电子束细得象针一样而且速度高,所以它可以作样品的微区分析,而且能穿透样品 1~3μm。可以不破坏样品测量微区的化学成分。对于微孔隙中的微量细微矿物的测定很有用。描技术主要原理是用 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。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。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。配置能谱仪 (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。扫描电镜与图像分析仪使用,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 。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。环境扫描电镜则可以在气体、液体介质环境下分析样品。是损害机理研究和工作液评价的有力手段。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很大潜力有待开发,在实际工作中也不断提出新问题,需要创造性的应用先进技术来解决。作 说明保护油气层的目的、意义。详细说明岩芯分析的内容、目的和意义。质、与油气层伤害的关系。心分析技术的原理、用途和优缺点 。
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