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。 节 岩心分析概述一、岩心分析的目的意义1．岩心分析的目的岩心分析目的有三点：（1）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；（2）确定油气层潜在损害类型、程度及原因；（3）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．岩心分析的意义保护油气层技术的研究与实践表明，油气层地质研究是保护油气技术的基础工作，而岩心分析在油气地质研究中具有重要作用。油气层地质研究的目的是，准确地认识油气层的初始状态及钻开油气层后油气层对环境变化的响应，即油气层潜在损害类型及程度。其内容包括六个方面：（1）矿物性质，特别是敏感性矿物的类型、产状和含量；（2）渗流多孔介质的性质，如孔隙度、渗透率、裂隙发育程度、孔隙及喉道的大小、形态、分布和连通性；（3）岩石表面性质，如比表面、润湿性等；（4）地层流体性质，包括油、气、水的组成，高压物性、析蜡点、凝固点、原油酸值等;（5）油气层所处环境，考虑内部环境和外部环境两个方面；（6）矿物、渗流介质、地层流体对环境变化的敏感性及可能的损害趋势和后果。其中，矿物性质及渗流多孔介质的特性主要是通过岩心分析获得，从而体现了岩心分析在油气地质研究中的核心作用。图2-1说明了六项内容之间的相互联系，*终应指明潜在油气层损害因素、敏感性，并有针对性地提出施工建议。还应指出，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。二、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。表2-1给出了保护油气层研究中岩心分析的内容及相应的技术方法。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。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，有重点地进行选样分析。铸体薄片的样品应能包括油气层剖面上所有岩石性质的极端情况，如粒度、颜色、胶结程度、结核、裂缝、针孔、含油级别等，样品间距1~5块/ m，必要时加密。X射线衍射（XRD）的扫描电镜（SEM）分析样品密度大约为铸体薄片的1/3至1/2，对油气层要加密，水层及夹层进行控制性分析。压汞分析的岩样，对于一个油组（或厚油层），每个渗透率级别至少有3~5条毛管压力曲线，*后可根据物性分布求取该油组的平均毛管压力曲线。 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，这样在所有分析项目完成后，就能指出潜在的损害类型及原因，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。表2-1 岩心分析揭示的内容及所用的方法内 容 方 法 岩石物理性质 常规物性 孔隙度 常规条件 总孔隙度、连通孔隙度 气测法、煤矿油饱和法孔隙度仪 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 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-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 孔喉 大小、分布 压汞法、离心机法毛管压力曲线测定 岩石结构与矿物 骨架颗粒 石英、长石岩屑、云母 粒度大小、分布 筛析法、薄片粒度图象分析 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 填隙物 粘土矿物 产状 铸体薄片、SEM 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 非粘土矿物 产状 岩石薄片、SEM 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 第二节 岩心分析技术及应用一、X射线衍射1．X射线衍射分析技术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（图2-3）。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。首先将岩样抽提干净，然后碎样，用蒸馏水浸泡，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。 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。此外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．X射线衍射在保护油气层中的应用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，表2-2列出了各族主要粘土矿物的d001值。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。 表2-2 各族主要粘土矿物的d001（10-1nm）X射线衍射特征矿 物 d001 d002 d003 d004 d005 蒙皂石 12~15 4~5 2.4~3 绿泥石 14.2 7.1 4.7 3.53 2.8 蛭石 14.2 7.1 4.7 3.53 2.8 伊利石 10.0 5.0 3.33 2.5 高岭石 7.15 3.58 2.37 表2-3 主要间层粘土矿物类型非膨胀 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 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 4）间层矿物鉴定和间层比计算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。表2-3列出了间层矿物的类型，伊利石/蒙皂石间层矿物、绿泥石/蒙皂石间层矿物较常见。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/T5983-94“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。应该指出，XRD分析不能给出敏感性矿物产状，所以必须与薄片、扫描电镜技术配套使用，才能全面揭示敏感性矿物的特征。4）无机垢分析XRD分析技术鉴定矿物的能力在地层损害研究中还有广泛的应用。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。此外，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。二、扫描电镜1. 扫描电镜分析技术扫描电镜（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。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（图2-4），它是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，*后在真空镀膜机上镀金（或碳），样品直径一般不超过1cm。近年来，在扫描电镜样品制备方面取得了显著的进展。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。2．扫描电镜在保护油气层中的应用1） 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。图2-4 扫描电镜基本结构图 2） 粘土矿物的观测粘土矿物有其特殊的形态（表2—4），借此可确定粘土矿物的类型、产状和含量。如孔喉桥接状、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。3） 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。4）含铁矿物的检测当扫描电镜配有X射线能谱仪时，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。5）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。表2-4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 1：1 高岭石 高岭石地开石 Al4（Si4O10）（OH）8 7.1~7.2, 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 埃洛石 埃洛石 Al4（Si4O10）（OH）8 10.05 针管状 细微棒状巢状 2：1 蒙皂石 蒙脱石皂石 Rx（AlMg）2（Si4O10）（OH）24H2O Na~12.99Ca~15.50 弯片状皱皮鳞片状 蜂窝状絮团状 水云母 伊利石海绿石蛭石 KAl（（AlSi3）O10）（OH）2．mH2O 10 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 FeMgAl的层状硅酸盐，同形置换普遍 14 , 7.14,4.72, 3.55 薄片状鳞片状针叶片状 玫瑰花状绒球状叠片状 2：1层链状 海泡石 山软木 Mg2Al2 （Si8O20） （OH）2 （OH2）4·m（H2O）4 10.40,3.14 , 2.59 棕丝状 丝状纤维状 三、薄片技术1.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，也是*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。制作铸体薄片的样品是成形岩心，不推荐使用钻屑。薄片厚度为0.03mm，面积不小于15mm×15mm。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。2．薄片分析技术在保护油气层中的应用1）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，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岩石结构稳定性降低，诱发出砂。2）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、钻井完井液设计、增产措施选择、注水水质控制十分有利。3）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。例如，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。4）不同产状粘土矿物含量的估计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。这一点很重要，因为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*敏感。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。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（5~20μm）时粘土的真实组成。5）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。四、压汞法测定岩石毛管压力曲线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。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，因而它是目前国内外测定岩石毛细管压力曲线的主要手段。使用压汞仪测定岩样的毛细管压力曲线（如图2-5），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。压力和孔喉半径的关系为：（2-1）式中pc—毛管压力，MPa；r—毛管半径，μm。压汞试验所用岩样一般为直径2.5cm，长2.5cm左右的柱塞，测定前将油清洗干净，测定岩石总体积、氦气法孔隙度、岩石密度和渗透率。 2．毛细管压力曲线在保护油气层中的应用1）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。2）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。例如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中、粗孔喉型油气层严重。3）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。通过对一个油组或油气层不同物性级别岩样的毛管压力曲线测定，构制平均毛管压力曲线。架桥粒子即根据平均毛管压力曲线，考虑到出现的孔喉半径，安2/3架桥原理设计的。暂堵型酸化、压裂过程中，暂堵剂粒度的筛选也要参考孔喉分布数据。4）入井流体悬浮固相控制压井液、洗井液、射孔液、修井液、注入水和压裂液等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。5）评价和筛选工作液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的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，了解工作液作用前后储集岩孔喉分布参数和润湿性变化。五、岩心分析技术应用展望尽管用于分析岩心的许多技术早已存在，但石油地质家及石油工程师从未象今天这样共同关心并应和岩心分析技术来深入揭示油气层的微观特性。一些传统技术因使用目的转变，而被赋与新的含义。如铸体薄片技术，从*初便于观察孔隙出发，如今则主要利用其保护粘土矿物不致在制片过程中发生脱落。XRD技术对粘土矿物的研究与认识起到了巨大的推动作用，1985年以前，国内尚无大家接受的粘土矿物含量计算公式，今天从粘土分离提取、数据处理，乃至间层比的计算都已形成石油行业标准，可以说近十几年发生了质的飞跃。扫描电镜等一些的分析技术，目前的应用与其所能揭示的大量信息相比，技术潜力还有待充分开发。同时，一些新技术正在不断涌现，及时地引入到石油工程领域，解决工程问题已成为地质家及石油工程师的共同使用。表2-5将几种常用技术做一归纳，表明在研究中需要将这些技术组合应用，方能获得岩石性质的全貌。新技术的应用主要表现在以下几个方面。1．傅里叶变换红外光谱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XRD相似，能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，国外已将其用于井场岩石矿物剖面分析图的快速建立，国内亦逐渐成为分析敏感性矿物，尤其是油气层粘土矿物的有力手段，但由于其对鉴定间层粘土矿物的局限性，要完全代替XRD是不可能的。表2-5 几种主要岩心分析技术的特点及应用项目内容 X射线衍射 扫描电镜 铸体薄片 电子探针 压汞毛管压力曲线测定 红外光谱 主要用途及特点 1.压片法分析迅速、简便；2.能进行全岩分析；3.鉴定粘土矿物类型、间层作用、多型、结晶度；4.粘土混和物的定量或半定量分析 1.耗样少，制样简单，不破坏原样；2.观察视场大，立体感强；3.对孔隙类型、形态、大小、连通关系进行观测；4.给出粘土矿物形态，产状及分布不均匀性方面的信息 1.特别适于孔隙结构的研究，如面孔率、孔隙形态大小、连通性；2.可以观察岩石类型、结构、显微构造；3.通过矿物染色，能给出碳酸盐矿物含铁量的信息;4.研究矿物的成因、晶出顺序 1.直接在岩石薄片上对其分析，不用分离和提纯；2.分析范围由B5和U92，灵敏度高，以氧化物形式给出定位矿物的化学成分；3.微区范围可达1μm，与电镜联合可以给出不同产状、形态矿物的化学成分 1.可以用柱塞，也可以用不规则岩样；2.与薄片比较，能提供较大体积岩样的孔喉分布状况；3.结合铸体薄片孔隙图象分析，能求出一组描述孔隙结构的特征参数 1.制样简单，分析快速；2.能进行全岩分析；3.对非晶质矿物、粘土矿物的成分、结构反映灵敏；4.对膨胀性矿物，可获得内部构造中吸附成分，交换性离子、自由水分子和配伍水分子以及氧化硅表面的相互作用方面的信息；5.对粘土混和物进行定量、半定量分析 局限性 1.微量组分不易鉴定出，全岩分析时应加注意；2.只能提供少量的有关各组分的分布方面的信息，不能给出产状；3.对无序物质产状、部分类型同象替代的反映不灵敏 1.不能给出准确的化学成分；2.对粘土矿物相对含量只能给出大概的比例；3.对多型、间层作用不易识别；4.仅根据形态有时会错误判断矿物类型 1.对微孔隙无能为力；2.对粘土矿物微结构研究提供很少的资料；3.对粘土矿物多型、间层分析几乎无作用 1.对微量元素，分析精度低；2.分析费用较高，限制了进行大量样品分析，一般仅用于关键，疑人矿物的鉴定、分析 1.不能直接给出矿物学方面的信息；2.根据微孔隙量可以推测大致的粘土含量，很少的成岩作用信息 1.不能鉴定微量组分,检测极限同XRD,即5~10%；2.不能给出各组分的产状及分布；3.不能用于鉴定间层粘土矿物、区分各种类型的有序度 2.CT扫描技术将医学上应用的CT扫描技术引人到岩心分析中，主要原理是用X射线照射岩心，得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。当固相物侵入岩心时，能够对固相侵入深度及其在孔喉中的状态进行监测，也可以观察岩样与工作液作用后的孔隙空间变化。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。3.核磁共振成象技术简称NMRI，它能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*新手段。NMRI测井技术发展很快，主要用于剩余油的分布探测，已成为提高采收率的重要评价技术。4.扫描电镜技术扫描电镜技术在制样和配件方面发展较快，在SEM上配置能谱仪（EDS）可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。背散射仪的应用免除镀膜对粘土形貌的改变，更宜于试验前后的样品观察。此外，临界点冷冻干燥法，能够揭示粘土矿物在油气层条件下的真实形态。扫描电镜与图象分析仪使用，研究粘土矿物微结构并微结构的稳定性，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*新进展。5.非晶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。油井完井技术中心对吐哈盆地丘陵三间房组砂岩高岭石进行电子探针分析，指出高岭石化学组成很少符合理论组成，SiO2、Al2O3经常过量，这种硅、铝部分以非晶态存在，它们易于溶解并促使高岭石微结构失稳。6.环境扫描电镜的应用一般扫描电镜要求在真空条件下进行实验，而环境扫描电镜则可以在气体、液体介质环境下分析样品。国外已开始利用此项技术研究膨胀性粘土矿物与工作液作用的机理，分析粘土矿物间层比和遇水膨胀的关系、水化膨胀和脱水过程的差异等。因此，环境扫描电镜是损害机理研究和工作液评价的有力手段。目前，我国已引进了这种仪器。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秀大的潜力尚待开发，同时工程实践中也不断提高许多新问题，需要创造性地应用技术来解决。 第三节 油气层潜在损害因素分析 岩心分析的直接应用就是潜在损害因素研究。油气层的潜在损害与其储渗空间特性、敏感性矿物，岩石表面性质、地层流体性质有关，同时还受外来流体和环境因素的影响。一、油气层储渗空间碎屑岩油气层的储集空间主要是孔隙，渗流通道主要是喉道。喉道是指两个颗粒间连通的狭窄部分，是易受损害的敏感部位。孔隙和喉道的几何形态、大小、分布及其连通关系，称为油气层的孔隙结构。对于裂缝型储层，天然裂缝既是储集空间又是渗流通道。根据基块孔隙和裂缝的渗透率贡献大小，可以划分出一些过渡储层类型。孔隙结构是从微观角度来描述油气层的储渗特性，而孔隙度与渗透率则是从宏观角度来描述油气层的储渗特性。1．孔隙度和渗透率孔隙度是衡量岩石储集空间多少及储集能力大小的参数，渗透率是衡量油气层岩石渗流能力大小的参数，它们是从宏观上表征油气层特性的两个基本参数。其中与油气层损害关系比较密切的是渗透率，因为它是孔喉的大小、均匀性和连通性三者的共同体现。对于一个渗透性很好的油气层来说，它的孔喉较大并较均匀，连通性好，胶结物含量低，这样它受固相侵入损害的可能性也更大；相反，对于一个低渗透性油气层来说，由于它的孔喉小、连通性差、胶结物含量较高，这样它容易受到粘土矿物水化膨胀、分散运移、水锁和贾敏损害。2．储层孔隙结构油气层常见孔隙类型有：粒间孔、粒内溶孔、晶间微孔。碎屑岩储层通常粒间孔的含量越高，储层物性越好。一般将油气层喉道类型划分为五种（图2—6），颗粒接触类型和胶结类型决定了喉道几何形态。孔隙结构参数从定量角度来描述孔喉特征。常用的孔隙结构参数有孔喉尺寸及其分布、喉道弯曲度和孔隙连通性。利用统计分布的方法，可以从毛管压力曲线和物性参数中求出任一岩样的孔隙结构参数，乃至油层段的孔隙结构参数平均值。 图2—6 储集岩的喉道类型（a）缩颈喉道；（b）点状喉道；（c）片状喉道；（d）弯片状喉道；（e）管束状喉道1—喉道；2—孔隙孔隙结构与油气层损害的关系表现为：（1）在其它条件相同的情况下，喉道越粗，不匹配的固相颗粒侵入的深度就越大，造成的固相损害程度就越严重。但滤液侵入造成的水锁、贾敏等损害的可能性较小。（2）孔喉弯曲程度越大，外来固相颗粒侵入越困难，侵入深度变小；而地层微粒易在喉道中阻卡，微粒分散/运移的损害潜力增加。（3）孔隙和喉道尺寸越小且连通性越差，油气层越易受到与流体、界面现象相关的损害，如水锁、贾敏、乳化堵塞、粘土矿物水化膨胀等（表2—6）。表2-6 喉道类型与油气层损害特点类 型 主要特征 主要损害方式 缩颈喉道 孔隙大，喉道粗，孔隙与喉道直径比接近于1 固相侵入，出砂和地层坍塌 点状喉道 孔隙较大，喉道略细，孔隙与喉道直径比大 固相侵入，微粒分散/运移，水锁，贾敏 片状和弯片状喉道 孔隙小，喉道细而长，孔隙与喉道直径比中到大 微粒分散/运移，水锁，贾敏，粘土矿物水化膨胀 管束状喉道 孔隙和喉道成为一体，界限不分明，且细小 水锁，贾敏，乳化堵塞，粘土矿物水化膨胀 二、油气层敏感性矿物1.敏感性矿物的定义和特点油气层岩石骨架是由矿物构成的，它们可以是矿屑和岩屑。从沉积物来源上讲，有碎屑成因、化学成因和生物成因之分。储层中的造岩矿物绝大部分属于化学性质比较稳定的类型，如石英、长石和碳酸盐矿物，不易与工作液发生物理和化学作用，对油气层没有多大损害。成岩过程中形成的自生矿物数量虽少，但易与工作液发生物理和化学作用，导致油气层渗透性显著降低，故这部分矿物多数属于敏感性矿物。它们的特点是粒径很小（<37μm），比表面大，且多数位于孔喉处，它们优先与外界流体接触充分,作用速度快，易引起油气层损害。2.敏感性矿物的类型根据矿物与流体发生反应造成的油气层损害方式，可以将敏感性矿物分为四类。（1）水敏和盐敏矿物。与矿化度（或活度）不同于地层水的水基流体作用产生水化膨胀、或分散/运移等，并引起储层渗透率下降的矿物。主要有蒙皂石、伊/蒙间层矿物和绿/蒙间层矿物。（2）碱敏矿物。与高pH值工作液作用产生分散/运移，或新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，并引起储层渗透率下降的矿物。主要有高岭石等各类粘土矿物、长石和微晶石英。（3）酸敏矿物。与酸液作用产生化学沉淀或酸蚀后释放出微粒，并引起储层渗透率下降的矿物。酸敏矿物分为盐酸敏感矿物和氢氟酸敏感矿物。HF敏感的矿物主要有方解石、白云石、长石、微晶石英、沸石、各类粘土矿物和云母；HCl敏感的矿物常见的包括富铁绿泥石、菱铁矿、黄铁矿、赤铁矿、铁方解石、铁白云石、黑云母、磁铁矿等。（4）速敏矿物。在高速流体流动作用下发生脱落、分散/运移，并堵塞喉道的微粒矿物。主要有粘土矿物及粒径小于37μm的各种非粘土矿物，如微晶石英、、菱铁矿、微晶方解石等。3.砂岩储层粘土矿物的产状一般说来，粘土含量越高，由它造成的油气层损害程度也越大；在其它条件相同的情况下，油气层渗透率越低，粘土矿物对油气层造成损害的可能性就越大。尽管粘土含量影响储层的损害程度，但粘土矿物产状的作用更明显。砂岩岩储层的粘土矿物分碎屑成因和自生成因两大类。碎屑成因的粘土是与颗粒同时沉积的，或沉积后由生物活动引入的。常见的产状如图2—7所示，当埋藏较浅时岩石固结程度差，易于发生微粒运移、出砂。酸化时若粘土溶蚀严重，岩石的结构遭受破坏，容易诱发出砂。与淡水接触，粘土纹层的膨胀会使孔隙缩小、微裂缝闭合。图2—7 砂岩中碎屑粘土的产状 砂岩储层*常见的是自生粘土矿物。根据粘土矿物集合体与颗粒和孔隙的空间关系，并考虑对储层物性和敏感性的影响，将自生粘土矿物产状归结为七类（图2—8）。（1）栉壳式。视粘土矿物集合体包覆颗粒的程度分孔隙衬边和包壳式两种。粘土矿物叶片垂直到颗粒表面生长，表面积大，又处于流体通道部位，呈这种产状以蒙皂石、绿泥石为主。流体流经它时阻力大，因此极易受高速流体的冲击，然后破裂形成颗粒随流体而运移，若被酸蚀后，形成Fe（OH）3胶凝体和SiO2凝胶体，堵塞孔喉。（2）薄膜式。粘土矿物平行于骨架颗粒排列，呈部分或全包覆颗粒状，这种产状以蒙皂石和伊利石为主。流体流经它时阻力小，一般不易产生微粒运移，但这类粘土易产生水化膨胀，缩少孔喉。微孔隙发育时，甚至引起水锁损害。（3）桥接式。由毛发状、纤维状的矿物（如伊利石）搭桥于颗粒之间，流体极易将它冲碎，造成微粒运移。或者由栉壳式的蒙皂石、伊/蒙间层矿物、绿/蒙间层矿物发展而来，有时会在孔喉变窄处相互搭接，此时水化膨胀和水锁损害潜力很高。（4）分散质点式。粘土充填在骨架颗粒之间的孔隙中，呈分散状，粘土粒间微孔隙发育。高岭石、绿泥石常呈这种产状，极易在高速流体作用下发生微粒运移。（5）帚状撒开式。黑云母、白云母水化膨胀、溶蚀、分散，在端部可以形成高岭石、绿泥石、伊利石、伊/蒙间层矿物、蛭石等，这些微粒易于释放，进入孔隙流动系统，发生微粒运移和膨胀损害。（6）颗粒交代式。长石或不稳定的岩屑在成岩作用过程中向粘土矿物转化，如长石的高岭石化、黑云母的绿泥石化、喷出岩屑的蒙皂石化等。与前面几种产状相比，敏感性损害要弱得多，只是在酸化中表现略明显。（7）裂缝充填。在裂缝性砂岩、变质岩和岩浆岩储层中，蒙皂石、高岭石、绿泥石、伊利石等粘土矿物的裂缝部分充填、完全充填常见，它们可引起各种与粘土矿物有关的敏感性损害。图2—8 砂岩中自生粘土矿物产状1.栉壳式; 2.薄膜式; 3.桥接式; 4.分散质点式; 5.帚状撒开式; 6.颗粒交代式; 7.裂缝充填式 三、油气层岩石的润湿性岩石表面被液体润湿（铺展）的情况称为岩石的润湿性。岩石的润湿性一般可分为亲水性、亲油性和两性润湿三大类。油气层岩石的润湿性取决于矿物的晶体结构、地层流体的活性组分性质，工作液侵入也可以改变岩石的润湿性。润湿性的作用表现为下列方面。（1）控制孔隙中油气水分布。对于亲水性岩石，水通常吸附于颗粒表面或占据小孔隙角隅，油气则占孔隙中间部位；对于亲油性岩石，刚好出现相反的现象。（2）决定岩石孔道中毛管压力的大小和方向。毛管压力的方向总是指向非润湿相一方。当岩石表面亲水时，毛管压力是水驱油的动力；当岩石表面亲油时，毛管力是水驱油的阻力。（3）制约微粒运移的损害程度。当油气层中流动的流体润湿微粒时，微粒容易随之运移，否则微粒难以运移。油气层岩石的润湿性的前两个作用，可造成有效渗透率下降和采收率降低，而后一作用对微粒运移有较大影响。四、油气层流体性质1.地层水性质地层水性质主要指矿化度、离子类型和含量、pH值和水型等。当油气层压力和温度降低或侵入流体与地层水不配伍时，会生成CaCO3、CaSO4、BaSO4等无机垢；高矿化度地层水还可引起进入油气层的高分子处理剂发生盐析。此外，对于室内实验流体配制、工作液基液的选择、防垢抑垢剂的筛选、除垢工艺的优化，地层水资料都是重要依据。2.原油性质原油性质主要包括粘度、含蜡量、胶质、沥青、析蜡点和凝固点。原油性质对油气层损害的影响有：（1）石蜡、胶质和沥青可能形成有机沉淀，堵塞喉道、射孔孔眼、砾石充填层、筛管和油管；（2）原油与入井流体不配伍形成高粘乳状液，胶质沥青质与酸液作用形成酸渣；（3）注水和压裂中的冷却效应还可以导致石蜡、沥青在井间地层中沉积。3.天然气性质与损害有关的天然气性质主要是相态特征和H2S、CO2腐蚀气体的含量。相态特征主要是针对凝析气藏而言，当开采时压差过大、或气藏压力衰竭时，井底压力低于露点压力，此时凝析液在井筒附近积聚，使气相渗透率大大降低，形成油相圈闭。腐蚀性气体的作用是设备腐蚀产生微粒，如H2S在腐蚀过程中形成FeS沉淀，造成井下和井口管线的堵塞。五、油气藏环境地层损害是在特定的环境下发生的。内部环境包括油气藏温度、压力、原地应力和天然驱动能量；外部环境有工作液的流速、化学性质、固相颗粒分布、压差、流体的温度等。表2—7总结了常见的潜在损害方式及预防处理措施，表明只有综合分析岩石物理性质（基块和裂缝储渗性能参数）、岩石学特征、地层流体性质、内部环境和外部环境，才能全面地把握某一油气藏的潜在损害因素，正确指导保护工艺技术的设计。表2-7 地层损害的类型、损害方式、预防及处理措施损害类型 敏感性矿物 损害方式 预防及处理措施 水 敏 蒙皂石、伊/蒙间层、钠板石、绿/蒙间层、柯绿泥石、伊利石、绿泥石、高岭石、水化云母 晶格膨胀分散/运移 1.用与地层水和矿物配伍的工作液2.加入粘土稳定剂和防膨剂3.使用惰性流体，如气体为工作流体 盐 敏 分散/运移 酸 敏 HCl 绿泥石、黄铁矿、黑云母、菱铁矿、铁方解石、铁白云石、含铁重矿物 Fe（OH）3沉淀、硅胶沉淀、酸蚀后颗粒运移 1.酸液中加铁的整合剂和除氧剂2.用EDTA处理碳酸盐或氟硼酸酸化 HF 方解石、白云石、各类粘土矿物、长石、部分岩屑、白云母 CaF2沉淀、硅胶沉淀，氟硅酸盐沉淀，氟铝酸盐沉淀 1.加适当的添加剂减少铁的沉淀2.用盐酸或醋酸溶解碳酸盐矿物3.注意控制作业规模。 碱 敏（PH>9） 各类粘土矿物（尤以高岭石为主）、微晶长石、微晶石英 硅酸盐沉淀，硅胶沉淀，分散/运移，颗粒运移，晶格膨胀 1.控制工作液的pH值2.加粘土稳定剂3.减少工作液滤失量 速 敏 高岭石、蒙皂石、伊/蒙间层、绿/蒙间层、柯绿泥石、伊利石、绿泥石、微晶石英、水化云母 分散/运移 1.减小压力波动2.控制流速3.加粘土稳定剂4.用氟硼酸处理粘土矿物5.注入非润湿性流体 出 砂 碎屑颗粒（石英、长石、岩屑） 弱 固 结颗粒运移 1.降低流速和压力波动2.早期采取有效防砂措施 结 垢 无机 碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡 化学沉淀 1.控制温度压力变化，工作液的矿化度、组成和pH值2.加防垢剂、抑垢剂3.用盐酸、醋酸处理 有机 沥青、石蜡 化学沉淀 1.控制压力和温度变化幅度2.加防蜡剂3.采用清蜡防蜡措施 应力敏感 造岩矿物 岩石压实孔喉压缩 1.避免井底压差、或能量亏空过大2.及时注入流体补充能量 固相侵入 钻屑、加重剂，人工钠土、微生物、机械杂质、铁锈等 外来固相在孔喉内沉积 1.钻井完井采用屏蔽暂堵技术2.采用欠平衡作业3.压井液、射孔液、措施流体、注入流体要严格过滤 应当指出，油气层潜在损害因素在某一特定的时间段内是油气层相对固有特性。当油气层被钻开以后，由于受外部环境的影响，它的孔隙结构、敏感性矿物、岩石润湿性和油气水性质都会发生变化。因此油气层潜在损害因素在不同的生产作业阶段是动态变化的。过去以钻井完井损害控制为重点，对于油藏环境因素关注不够。随着保护储层技术重点向注水开发、EOR过程和非常规油气藏转移，将更多地关注环境因素，如时间（t）、温度（T）、压力（P）或应力（St）。开发过程周期长，损害的累积性和叠加性均是时间的反映。温度效应在深井超深井作业和注蒸汽稠油开采中显得特别突出。压力（或应力）的影响在裂缝性油气藏和疏松砂岩油藏表现明显，应力敏感性和油藏压实已经引起重视。 返回

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