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1、第二章 岩 心 分 析（5.0学时）,岩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：X衍射、扫描电镜、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、X射线衍射、电子探针、差热及热重分析、紫外光谱、红外光谱、X射线荧
2、光光谱、中子活化、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 岩心分析概述,1.岩心分析的目的,全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；,2.岩心分析的意义,通过岩芯分析可以获得岩心中矿物性质及多孔介质的特性，体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
3、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。,表2-1 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
4、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(SiO2Al2O3nHO)、 胶硅铁石(SiO2Fe2O3nHO)等。,特点：粘土矿物颗粒通常很细，大约15m，一般小于2m。,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
5、层八面体片叠合而成为一层称为结构单元层，简称晶层。,2.粘土矿物的结构类型 由上述四面体晶片（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：,TO型结构（或1:1型），高岭石属此类。TOT型结构（或2:1型），蒙脱石、伊利石属此类。TOTO型结构（或2:11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（TO）型-高岭石 由一片Si-O四面体片(T)和一片Al-O八面体片(O)叠合成一个单元结构层，称为1:1型或TO型。这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A14Si4O10(OH)8，其结构示为：,晶面间
6、距d001：7.1510-1nm7.210-1nm；,晶层间的作用力：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。,典型蒙脱石的结构化学式： (Ca, Na)0.67Mg0.67Al3.33(Si8O20)(OH)4 nH2O,其结构为：,层间物为：K+、Na + 、Ca 2+ 、nH2O。,晶面间距d001：晶面间距比高岭石大，蒙脱石的d
7、001为12.717.210-1nm；,晶层间的作用力：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(Al3+、Si4+）能被其它阳离子（ Al3+ 、Mg2+、Ca2+、Na+等）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( Mg2+、Ca2+、Na+等）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
8、），损害储集层渗透率！,1.伊利石与蒙脱石不同之处是晶层内的阳离子交换量比蒙脱石少。阳离子交换主要是Si-O四面体晶片内，所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1.3310-1nm，2个四面体六方网眼半径为l.410-1nm，上下两个为21.410-1nm)形成一种强键，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(d001)为1010-1nm。,特点：,2.在某些情况下，如弱酸性水的淋滤作用，因K+离子对此很敏感，最终会导致晶
9、层中的K+离子脱出为其它阳离子（Na、Ca2+或H2O等）替代，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1410-1nm以上。这种脱+伊利石称为蚀变伊利石或降解伊利石。,特点：,绿泥石的结构化学式为：Mg6AlxSi8-xO20(OH)4 n-1（Mg6 xAlx(OH)12n+,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Al3+置换高价Si4+所造成的正电荷亏损（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Al3+置换低价阳离子Mg2+所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
10、失去了Mg2+、Fe2+、Al3+，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OH-形成的氢键外，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（d001)为14.210-1nm。,第三节 岩心分析技术及应用,一、X射线衍射（XRD）分析技术,1. XRD分析原理,X射线衍射分析主要是对各种不同类型的晶体(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
11、称为粉晶X射线物相分析。,XRD是保护储集层中岩相学分析应用的主要分析方法之一 。,当X射线通过晶体时，每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(d值)和反射的相对强度(I/ I0)来表征。其中面网间距d值与晶胞的形状和大小有关，相对强度(I / Io)则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d值和相对强度(I / lo)值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。,XRD的分析原理,XRD分析借助于X射线衍射仪来实现，它主要
12、由光源、测角仪 、X射线检测和记录仪构成 。,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2um（泥、页岩）或小于5um（砂岩）的部分，沉降分离、烘干；XRD分析使用的定向片：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。,2.X射线衍射在保护油气层中的应用,a.地层微粒分析,地层微粒指粒径小于37m (或44m)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
13、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。,b.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, HCI)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。,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-
14、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。,e.无机垢分析,二、扫描电镜 (SEM),1. 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
15、示出样品的电子图象。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。,特点：耗样少、制样简单；观测视场大、立体感强；放大倍数范围宽且连续可调；直观、快速、有效；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 lcm。对污染试验的岩心样品，要尽量保证原样形貌。,2.扫描电镜在保护油气层中的应用,a.油气层中微粒矿物的观察,扫描电镜分析能给出孔隙系统中微粒的类型、大小、数量、分布状态等资料。能有效地估计临界流速和速敏程度。,b.
16、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。,c.油气层孔喉结构的观测,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。,e.油气层损害的监测,利用背散射电子图像，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。,三、薄片技术,1.薄片分析原理,将厚度约0.03mm（能透过可见光）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15mm15mm。,2.薄片的类型 根据分析内容和使用仪器的名称，将薄片分为：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。,
