第二章 巖心分析

第二章巖心分析

（5.0學時）

巖心分析是認識油氣層地質(zhì)特征的必要手段，是取得油氣層地質(zhì)資料的一項基礎(chǔ)工作。油氣層敏感性評價、損害機理研究、損害的綜合診斷、保護油氣層技術(shù)方案的設(shè)計都必須建立在巖心分析的基礎(chǔ)之上。

巖心分析（定義）：是指利用能揭示巖石本性的各種儀器來觀測和分析巖石一切特性的一類技術(shù)；

分析的樣品：井下巖芯、鉆屑；

主要方法：X衍射、掃描電鏡、巖石薄片三大常規(guī)常規(guī)巖心分析技術(shù)；

巖石分析技術(shù)的方法很多，有偏光顯微鏡、陰極發(fā)光顯微鏡、熒光顯微鏡、激光顯微鏡、掃描電鏡（電子顯微鏡）、顯微鏡圖象分析、X射線衍射、電子探針、差熱及熱重分析、紫外光譜、紅外光譜、X射線熒光光譜、中子活化、核磁共振、巖石薄片（薄片染色微化分析）等。由于巖石是礦物的集合體，所有這些分析技術(shù)主要對組成巖石的礦物成分、形態(tài)、大小相互排列關(guān)系以及巖石孔隙類型、形態(tài)、大小、面孔率、孔喉配位關(guān)系（孔隙結(jié)構(gòu)）等進行分析鑒定。第一節(jié)巖心分析概述全面認識油氣層的巖石物理性質(zhì)及巖石中敏感性礦物的類型、產(chǎn)狀、含量及分布特點

；

一、巖心分析的目的意義確定油氣層潛在損害類型、程度及原因；為各項作業(yè)中保護油氣層工程方案設(shè)計提供依據(jù)和建議；內(nèi)容方法巖石物理性質(zhì)常規(guī)物性孔隙度常規(guī)條件總孔隙度、連同孔隙度氣測法、煤油飽和法孔隙度儀模擬圍壓總孔隙度CMS-300全自動巖心分析儀滲透率空氣滲透率、煤油滲透率、地層水滲透率；水平滲透率、垂直滲透率、徑向滲透率、全直徑巖心滲透率；模擬圍壓滲透率滲透率儀CMS-300全自動巖心分析儀比表面壓汞或等溫吸附法相滲透率氣—水、油—氣、氣—油—水穩(wěn)態(tài)法、不穩(wěn)態(tài)法潤濕性油濕、水濕、中間潤濕接觸角測量、阿莫特(自吸人)法、離心機法毛管壓力曲線測定孔隙結(jié)構(gòu)孔隙--喉道類型、大小、形態(tài)、連通性、分布鑄體薄片、圖像分析、SEM，X射線、CT掃描、NMR孔喉大小、分布壓汞法、離心機法毛管壓力曲線測定巖石結(jié)構(gòu)與礦物骨架結(jié)構(gòu)石英、長石巖屑、云母粒度大小、分布篩析法、薄片粒度圖像分析接觸關(guān)系、成分、含量、成巖變化鑄體薄片、陰極發(fā)光、(XRD〕全巖分析、紅外光譜填隙物粘土礦物產(chǎn)狀鑄體薄片、SEM類型、成分、含量鑄體薄片、XRD、紅外光譜、沉降分離法、電子探針或能譜非粘土礦物產(chǎn)狀巖石薄片、SEM類型、成分、含量薄片染色、XRD全巖分析、紅外光譜、碳酸鹽含量測定表2-1巖心分析揭示的內(nèi)容和所用的方法二、取樣要求樣品為成形巖心或鉆屑。經(jīng)驗表明，鉆屑代表性很差，通常使用成形巖心，多個實驗項目可以進行配套分析，便于找出巖石各種參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

第二節(jié)粘土礦物的概念和結(jié)構(gòu)特點一、粘土礦物的基本概念定義：細分散的晶質(zhì)含水層狀硅酸鹽礦物和含水非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱。晶質(zhì)含水層狀硅酸鹽礦物：高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等，含水非晶質(zhì)硅酸鹽礦物：水鋁英石(SiO2·Al2O3·nHO)、膠硅鐵石(SiO2·Fe2O3·nHO)等。特點：粘土礦物顆粒通常很細，大約1~5μm，一般小于2μm。二、粘土礦物的結(jié)構(gòu)類型1.粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)單元①四面體：指Si4+在中心、O2-在四周緊密結(jié)合起來構(gòu)成的立體幾何圖形，正好是四個面故稱四面體。因它由Si和O組成，故又稱Si-O四面體。圖2-3

單個硅氧四面體

氧硅②四面體片：在一個平面上四面體以三個頂點相連結(jié)，第四個頂點都指向同一個方向，這樣連續(xù)成一系列六邊形網(wǎng)面，稱為四面體片，簡稱晶片。四面體晶片用符號（T）表示。圖2-4

硅氧四面體面片

氧硅③八面體：指Al3+(或Mg2+)在中心、四周有六個陰離子O2-或OH-構(gòu)成的一個立體幾何圖形正好是八個面，故稱為八面體。因其由Al3+和O2-組成，故又稱它為Al-O八面體。

氧鋁、鎂等圖2-5

單個鋁氧（或氫氧）八面體

氧（氫氧）鋁、鎂等圖2-6

鋁氧（或氫氧）八面體面片④八面體片：由八面體沿一個平面相互連接而成，以(O)表示。⑤晶層：由一層四面體片與一層八面體片疊合而成為一層或由兩層四面體片夾一層八面體片疊合而成為一層稱為結(jié)構(gòu)單元層，簡稱晶層。2.粘土礦物的結(jié)構(gòu)類型由上述四面體晶片（T）和八面體片（O）配套疊合為一層（晶層），據(jù)其疊合配套數(shù)不同有下列幾種類型：①TO型結(jié)構(gòu)（或1:1型），高嶺石屬此類。②TOT型結(jié)構(gòu)（或2:1型），蒙脫石、伊利石屬此類。③TOT·O型結(jié)構(gòu)（或2:1＋1型），綠泥石屬此類。三、各類粘土礦物晶體的結(jié)構(gòu)特征1.1:1型的粘土礦物（TO）型-高嶺石由一片Si-O四面體片(T)和一片Al-O八面體片(O)疊合成一個單元結(jié)構(gòu)層，稱為1:1型或TO型。這種類型的礦物有高嶺石、地開石、埃洛石等。高嶺石結(jié)構(gòu)化學式為A14［Si4O10］(OH)8，其結(jié)構(gòu)示為：圖2-7

1:1型層狀粘土（高嶺石）晶面間距d001：7.15×10-1nm～7.2×10-1nm；晶層間的作用力：范德華引力、氫鍵力；特點：高嶺石是比較穩(wěn)定的非膨脹性粘土礦物，一般不易水化分散。在外力作用下，層間會產(chǎn)生分散遷移（速敏），損害儲集層滲透率。相鄰兩晶層結(jié)合緊密，水不易進入晶層之間。晶面間距小，幾乎無陽離子交換。在機械力(包括一定高流速流體的流動沖擊)作用下，層間會產(chǎn)生分散遷移，損害儲集層滲透率。

由兩片Si-O四面體片夾一片Al(Fe，Mg)-O(OH)八面體片結(jié)合成一單個單元結(jié)構(gòu)層。蒙脫石和伊利石屬于此種類型的粘土礦物。2.2:1型的粘土礦物（TOT型）-蒙脫石圖2-8

2:1型層狀粘土（蒙脫石）典型蒙脫石的結(jié)構(gòu)化學式：(Ca,Na)0.67Mg0.67Al3.33(Si8O20)(OH)4·nH2O其結(jié)構(gòu)為：層間物為：K+、Na+

、Ca2+

、nH2O。晶面間距d001：晶面間距比高嶺石大，蒙脫石的d001為12.7～17.2×10-1nm；晶層間的作用力：范德華引力(相鄰兩晶層為氧原子面)，無氫鍵力；特點：單元結(jié)構(gòu)層內(nèi)的陽離子(Al3+、Si4+）能被其它陽離子（Al3+

、Mg2+、Ca2+、Na+等）部分置換。高價離子被低價離子置換后造成的正電荷虧損，則由吸附在晶體外表和晶層的可交換性陽離子(Mg2+、Ca2+、Na+等）來中和平衡。特點：層間可交換性的陽離子可自由地進出，為陽離子交換提供了十分有利的條件。晶面間距大，容易進行陽離子交換。相鄰兩晶層結(jié)合不緊密，水易進入晶層之間。表現(xiàn)出明顯的膨脹性。蒙脫石是易膨脹性粘土礦物，一般與水接觸后易產(chǎn)生水化膨脹和分散運移（水敏），損害儲集層滲透率！3.伊利石礦物（2:1型的粘土礦物-TOT型）伊利石的一般結(jié)構(gòu)式如下：Kx+y(Al2-yMgy)(Si4-xAlx)O10(OH)2圖2-9

2:1型伊利石結(jié)構(gòu)圖1.伊利石與蒙脫石不同之處是晶層內(nèi)的陽離子交換量比蒙脫石少。陽離子交換主要是Si-O四面體晶片內(nèi)，所以不均衡電荷主要在四面體片內(nèi)，距離層間陽離子很近，當結(jié)構(gòu)層中出現(xiàn)陽離子K+時，便被緊緊地吸附住，并恰好嵌在上下兩個四面體晶片間氧原子的六方網(wǎng)眼中(K+離子半徑大約1.33×10-1nm，2個四面體六方網(wǎng)眼半徑為l.4×10-1nm，上下兩個為2×1.4×10-1nm)形成一種強鍵，致使水存在時難以進入晶層間，引起晶層的膨脹。所以伊利石是一種不膨脹的粘土礦物。晶面間距(d001)為10×10-1nm。特點：2.在某些情況下，如弱酸性水的淋濾作用，因K+離子對此很敏感，最終會導致晶層中的K+離子脫出為其它陽離子（Na＋、Ca2+或H2O等）替代，以至邊緣破鍵的吸附水也隨之進入晶層間，導致晶層膨脹，晶面間距可達14×10-1nm以上。這種脫Κ+伊利石稱為蝕變伊利石或降解伊利石。特點：4.

2:1+1型（TOT·O型）粘土礦物-綠泥石

這類粘土礦物類似伊利石結(jié)構(gòu)，即兩個SI-O四面體片夾一個Al-O八面體片，不同之處是多出一片氫氧鎂石(水鎂石)八面體片。圖2-10

2:1+1型綠泥石結(jié)構(gòu)圖綠泥石的結(jié)構(gòu)化學式為：｛Mg6［AlxSi8-xO20］(OH)4｝n-1·｛（Mg6–xAlx(OH)12｝n+綠泥石的陽離子交換容量比蒙脫石少，而近似伊利石的陽離子交換量。在綠泥石的兩個四面體片夾一個八面體晶片中，由于低價Al3+置換高價Si4+所造成的正電荷虧損（顯負電性）由其附加在晶層間的八面體晶片中的高價陽離子Al3+置換低價陽離子Mg2+所贏得的正電荷來平衡。蝕變綠泥石因水鎂石八面體晶片酸蝕失去了Mg2+、Fe2+、Al3+，將同伊利石失去K+一樣，而出現(xiàn)晶層膨脹。蝕變綠泥石也稱降解綠泥石。特點：綠泥石晶層間聯(lián)系力除了范德華引力和水鎂鎂石八面體上OH-形成的氫鍵外，就是陽離子交換后形成的靜電力。所以綠泥石晶層一般不具有膨脹性。晶層間距（d001)為14.2×10-1nm。第三節(jié)巖心分析技術(shù)及應用一、X射線衍射（XRD）分析技術(shù)1.XRD分析原理

當X射線通過晶體時，每一種結(jié)晶物質(zhì)都有自己獨特的衍射花樣，它們的衍射特征可以用各個反射面網(wǎng)的面網(wǎng)間距(d值)和反射的相對強度(I/I0)來表征。其中面網(wǎng)間距d值與晶胞的形狀和大小有關(guān)，相對強度(I/Io)則與晶體質(zhì)點的種類及其在晶胞中的位置有關(guān)。任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d值和相對強度(I/lo)值都是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映，它在衍射圖譜上表現(xiàn)出不同的衍射角和不同的衍射峰高(強度)。因而可以根據(jù)它們來鑒別各類結(jié)晶物質(zhì)包括巖石中各種礦物組成。

第三節(jié)巖心分析技術(shù)及應用一、X射線衍射（XRD）分析技術(shù)

X射線衍射分析主要是對各種不同類型的晶體（包括準晶體)物質(zhì)進行分析。能定性鑒定或定量測定出各物相種類及其含量，通常測出的物相是固態(tài)相組成，而不是元素。樣品要求：細粉晶狀態(tài)，可以是兩種以上不同粉晶的混合樣品。所以又稱為粉晶X射線物相分析。XRD是保護儲集層中巖芯分析的主要方法之一。

XRD分析借助于X射線衍射儀來實現(xiàn)，它主要由光源、測角儀、X射線檢測和記錄儀構(gòu)成。圖2-1巖石粉晶X射線衍射圖譜能快速準確測定全巖礦物組分和粘土礦物組分。定性分析特點：定量分析（相對含量）粘土礦物分離方法：先將巖石抽提干凈后碎樣，用蒸餾水浸泡，最好濕式研磨，并用超聲波振蕩加速粘土從顆粒上脫落，提取粒徑小于2um（泥、頁巖）或小于5um（砂巖）的部分，沉降分離、烘干。2.X射線衍射在保護油氣層中的應用a.地層微粒分析

地層微粒指粒徑小于37μm(或44μm)即能通過400目(或325目)篩的細粒物質(zhì)。除粘土礦物外，常見的其它地層微粒有長石、石英、云母、菱鐵礦、方解石、白云石、石膏等。它是砂巖中重要的損害因素，砂巖中與礦物有關(guān)的地層損害都與其有密切的聯(lián)系。

地層微粒分析可以為礦物微粒穩(wěn)定劑的篩選、解堵措施的優(yōu)化提供依據(jù)。b.全巖分析

對粒徑大于5μm的非粘土礦物部分進行XRD分析，可以知道諸如云母、碳酸鹽礦物、黃鐵礦、長石的相對含量，對酸敏（HF,HCI）性研究和酸化設(shè)計有幫助。長石含量高的砂巖，當酸液濃度和處理規(guī)模過大時，會削弱巖石結(jié)構(gòu)的完整性，并且存在著酸化后的二次沉淀問題，可能導致土酸酸化失敗。c.粘土礦物類型鑒定和含量計算

利用粘土礦物特征峰的d001值鑒定粘土礦物類型表2-2各族主要粘土礦物的射線衍射特征礦物蒙皂石12~15—4~5—2.4~3綠泥石14.27.14.73.532.8蛭石14.27.14.73.532.8伊利石10.05.03.332.5—高嶺石7.153.582.37——d.間層礦物鑒定和間層比計算儲層中常見間層礦物大多是由膨脹層與非膨脹層單元相間構(gòu)成。表2-3主要間層粘土礦物類型（WilsonNadeau,1985）非膨脹組分有序度云母綠泥石高嶺石二八面體三八面體二八面體三八面體近程有序納板石(累托石)(云母/蒙皂石)云母/蛭石水黑云母(云母/蛭石)蘇托石（羥硅鋁石）（Di-Ch）/S柯綠泥石（Tri-Ch）/Ve（Tri-Ch）/S——長程有序伊利石/蒙皂石(云母/蛭石)？？？無序伊利石/蒙皂石云母/蛭石(云母/蒙皂石)綠泥石/蒙皂石（綠泥石/皂石）綠泥石/蒙皂石（綠泥石/蛭石）高嶺石/蒙皂石對間層礦物的間層類型、間層比和有高序度研究有助于揭示油氣層中粘土礦物水化、膨脹、分散的特性。e.無機垢分析

二、掃描電鏡

(SEM)1.分析原理

原理：利用類似電視攝像與顯像的方式，用細聚焦電子束在樣品表面上由點到行（逐行）掃描，激發(fā)出能夠反映樣品表面特征的電信號，經(jīng)探測器放大處理后顯示出樣品的電子圖象。有些掃描電鏡配有X射線能譜分析儀，因此能進行微區(qū)元素分析。測試儀器：由電子系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信息檢測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)五大部分構(gòu)成。用途：能提供孔隙內(nèi)充填物的礦物類型、大小、產(chǎn)狀的直觀資料，同時也是研究孔隙結(jié)構(gòu)的重要手段。云母片間隙粒間分布葉片狀綠泥石，見片狀伊利石長石粒內(nèi)溶蝕孔隙粒間分布葉片狀綠泥石，見石英次生加大晶面粒間分布的書頁狀高嶺石粒間泥質(zhì)膠結(jié)緊密特點：①耗樣少、制樣簡單；②觀測視場大、立體感強；③放大倍數(shù)范圍寬且連續(xù)可調(diào)；④直觀、快速、有效；⑤可對污染前后的樣品進行對比觀測。樣品制備方法：將巖樣抽提清洗干凈，加工出新鮮面作為觀察面，用導電膠固定在樣品樁上，自然晾干，最后在真空鍍膜機上鍍金(或碳)，使樣品必須有良好的導電性能。樣品直徑一般不超過lcm。對污染試驗的巖心樣品，要盡量保證原樣形貌。2.掃描電鏡在保護油氣層中的應用a.油氣層中微粒礦物的觀察

掃描電鏡分析能給出孔隙結(jié)構(gòu)中微粒的類型、大小、數(shù)量、分布狀態(tài)等資料。能有效地估計臨界流速和速敏程度。b.粘土礦物的觀測

粘土礦物有其特殊的形態(tài)，借此可確定粘土礦物的類型、產(chǎn)狀和含量。表2-4主要粘土礦物及其在掃描電鏡下的特征構(gòu)造類型族礦物化學分子式10-1nm單體形態(tài)集合體形態(tài)1:1高嶺石高嶺石地開石Al4(Si4O10)(OH)87.1~7.23.58假六方板狀鱗片狀板條狀書頁狀/蠕蟲狀/手風琴狀/塔晶埃洛石埃洛石Al4(Si4O10)(OH)810.05針管狀細微棒狀巢狀2:1蒙皂石蒙脫石蒙皂石RX(AlMg)2(Si4O10)(OH)24H2ONa蒙托石2.99/Ca蒙托石15.50彎片狀皺片鱗片狀蜂窩狀絮團狀水云母伊利石海綠石蛭石KAl((AlSi3)O10(OH)2?MH2O10鱗片狀