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1、油气层损害评价技术（一） 岩心分析,康毅力 西南石油学院/石油工程学院 油 井 完 井 技 术 中 心 2001年10月10日,岩心分析技术,岩心分析是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都必须建立在岩心分析的基础之上。所以，岩心分析是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,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
2、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,1.3 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,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
3、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
4、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,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：15块/米，包括岩石的各种极端情况 XRD、SEM样品密度大致为前者1/21/3 压汞毛管压力曲线，35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
5、构与岩性、物性、粘土矿物之间的联系 XRD分析可以用碎样，但应清除被泥浆污染的部分，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,2 X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2.5-0.1x10-1 nm,射线通过晶体时发生干涉现象 Bragg公式: n=2dsin d面网间距； n整数 射线波长 射线与样品夹角,2.1 X射线衍射原理,全岩矿物组分和粘土矿物可用X射
6、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,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2m（泥、页岩）或小于5m（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
7、盐酸处理之后的自然干燥定向片 粒径大于2m或5m的部分则研磨至粒径40m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,2.4 XRD分析技术的应用,地层微粒分析，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,地层微粒分析,地层微粒指粒径小于37m（或44m）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
8、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,全岩分析,对粒径大于5m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,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,
9、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
10、电镜配有X射线能谱分析仪，因此能进行微区元素分析,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
11、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,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,含铁矿物的检测,当扫描电镜配有X射线能谱
12、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,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,4 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,4.1 样品制备,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
13、0.03mm，面积不小于 15mm15mm 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,4.3 薄片分析技术应用,岩石的结构与构造 骨架颗粒的成分及成岩作用 孔隙特征 不同产状粘土矿物含量的估计 荧光薄片应用,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
14、岩石结构稳定性降低，诱发出砂,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,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 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,不同产状粘土矿
15、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 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 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（520m）时粘土的真实组成,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,5 压汞毛管压力曲线分析,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
16、,5.1 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,它是目前国内外测定岩石毛细管压力曲线的主要手段 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,基本原理,式中 pc毛管压力，Mpa r毛管半径，m,压力和孔喉半径的关系:,5.3 毛管压力曲线应用,储集岩的分类评价 油气层损害机理分析 钻井完井液设计 入井流体悬浮固相控制 评价和筛选工作液,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,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 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
