X_射线衍射技术在青海油田的应用和探索 论文.pdf

68 ? x射线衍射技术在青海油田的应用和探索 倪高翔 * 张学志 段宏臻 （中国石油集团测井有限公司青海事业部） 摘 要：x射线衍射技术是近年来开始应用于石油行业的单项分析技术， 其主要功能是分析岩样 中各种矿物的含量， 为岩性识别提供定量参考依据。本文简要介绍了该项技术的原理和优势， 并结合 在青海油田应用的实例， 研究了该项技术在计算岩性密度、 可动流体含量， 分析单井沉积环境方面的 探索。 关键词：x衍射 矿物组成 相对含量 岩性识别 密度 可动流体 0 引 言 近年来，pdc钻头在青海油田得到了广泛应用， 负压钻井、 空气钻井进入了实用阶段， 大斜度井、 水平井等特殊井型成为主流。这些技术的发展无疑大幅度提高了勘探开发效益， 但是其应用又导致岩屑十分细碎， 甚至呈粉末状， 传统的依靠肉眼加放大镜来观察识别岩性 的方法已不能适应。同时， 随着找油找气领域的不断深入， 钻探目标逐步转向地质条件相对 复杂的地区， 岩性变化更加复杂， 如昆北地区的复杂砂砾岩， 东坪地区的变质岩、 花岗岩等， 都给现场岩性识别带来了很大的困难。针对这一生产实际中存在的难题， 青海事业部引进 了便携式yst-1型x射线衍射仪， 该仪器能直接分析出岩石的矿物组成及相对含量， 并形 成了定性、 定量的岩性识别方法， 为录井随钻岩性快速识别、 建立地质剖面提供了技术保障。 1 x 射线衍射技术介绍 便携式yst-1型x射线衍射仪是 一个小型化的台式x射线衍射系统， 其 基本工作原理如图1所示。当一束x射 线投射到某一晶体中时， 在晶体背后置一 照相底片， 会发现在底片上存在有规律分 布的斑点。我们知道，x射线作为电磁波 投射到晶体中时， 会受到晶体中原子的散 射， 而散射波是从原子中心发出的， 每一 * 作者简介： 倪高翔，1982年生，2004年毕业于中国地质大学地质学专业， 同年7月到中石油测井公司青海事业部从事录井 工作至今， 现任青海事业部录井项目部经理。 x 射线光束 底片 针孔准直管 样品池 微型 x 射线 电子管 图1 yst-1型x衍射仪基本工作原理示意图 69 ? 个原子中心发出的散射波好比一个源球面波。由于原子在晶体中是周期排列， 这些散射球 面波之间存在着固定的位相关系， 它们之间会在空间产生干涉， 结果导致球面波在某些散射 方向上相互加强， 而在某些方向上相互抵消， 从而也就出现了衍射现象， 即在偏离原入射线 方向上， 只有在特定的方向上出现散射线加强而存在衍射斑点， 其余方向则无衍射斑点。根 据这一原理通过使用低功率的x射线源和有能量色散功能的二维ccd检测器， 不用移动部 件就能获得样品的衍射图像 （xrd） 数据， 衍射图像和矿物衍射数据库进行对比， 就能够很快 识别出岩石粉末中的矿物含量。 2 岩性识别应用 每种矿物都具有其特定的x射线衍射图谱， 样品中某种矿物含量与其衍射峰和强度成 正相关关系。在混合物中， 一种物质成分的衍射图谱与其他物质成分的存在与否无关， 这就 是x射线衍射做相定量分析的基础。x射线衍射是晶体的“指纹” ， 不同的物质具有不同的 x射线衍射特征峰值 （点阵类型、 晶胞大小、 晶胞中原子或分子的数目、 位置等） ， 结构参数 不同则x射线衍射线位置与强度也就各不相同， 所以通过比较x射线衍射线位置与强度可 区分出不同的矿物成分。x射线衍射主要采集的是地层中各种矿物的相对含量， 并系统采 集各种矿物的标准图谱， 包括石英、 钾长石、 斜长石、 方解石、 白云石、 黄铁矿等近30种矿物 成分， 通过矿物成分的相对含量就可以确定岩石岩性， 为现场岩性定名提供定量化的参考依 据， 提高特殊钻井条件下岩性识别准确度。 2. 1 砾岩与基岩识别 柴达木盆地基底多为花岗岩， 在其之上沉积了一层砂砾岩， 砂砾岩的母岩主要也是花岗 岩， 因此两者成分非常相似， 尤其在使用pdc钻头钻进时， 岩性细碎， 现场识别很困难。为 此， 笔者优选了东坪地区dp3进行试验 （图2） ， 考虑花岗岩在搬运沉积过程中长石容易风化 损失， 而石英相对稳定， 所以将石英、 长石含量进行交会分析。从柱状图上观察到进入花岗 岩层长石含量明显增加， 石英含量相对减少， 依据这一特征进一步建立了定量识别图版 （图 3） ， 清晰地将花岗岩与砂砾岩区分开。 2. 2 泥岩与灰质岩识别 泥岩与灰质岩的区分一直是现场岩性识别中的一个难点， 尤其是在灰色地层中， 现场主 要使用的是滴酸的方法， 但因技术员经验不同导致在岩性定名过程中出现很多偏差。优选 了风8井进行定量识别方法探索， 将最能反映泥岩、 灰岩差异的黏土含量、 灰质 （方解石1 白云石） 的含量进行交会， 得到了泥岩与灰岩的识别图版 （图4） 。 2. 3 泥岩与砂岩识别 泥岩与砂岩的识别在常规钻井条件下基本不存在问题， 但在特殊钻井条件下岩屑细碎 时则不易识别， 因此优选了切34井典型砂泥岩层段进行探索 （图5） 。从柱状图分析黏土矿 70 ? 砂砾岩 花岗岩 石英含量/ 长石含量/ 40 0 10 20 30 6080100 图3 花岗岩与砂砾岩识别图版 钻时 /（minm-1） 深 度 /m 0 1 800 1 810 1 820 1 830 1 840 1 850 1 860 100 e112 45100 030 100 100 0 250 1000 0 地 层 岩性 剖面 长石 长石 黏土及其他 石英 石英 gr 50 15002 0000.2 2 0000.2 sprs rd 图2 dp3井x射线衍射分析成果图 71 ? 物与砂质 （石英1长石） 含量交会可以看出， 砂岩段砂质含量明显高于泥岩段， 利用两项参 数交会得到泥岩与砂岩识别图版 （图6） 。 钻时 /（minm-1） 深 度 /m 050 1 720 1 740 1 760 26050 0.2ht01200 0.2ht02200 0.2ht03200 0.2ht06200 0.2ht09200 0.2hit2200 15040 gr sp 1000 岩性 剖面 黏土矿物 0100 砂质（石英1长石） 地 层 图5 q34井x射线衍射成果图 泥岩 灰质岩 灰质含量/ 黏土含量/ 0 0 20 20 40 40 60 60 80 80 泥岩区 灰质岩区 图4 泥岩与灰质岩区分图版 72 ? 3 储层评价应用探索 当前油气储层评价的主要内容是确定储层内是否含有油气， 有多少， 能产出多少。其内 容包含了储层分类、 孔隙度、 渗透率、 饱和度计算、 产能预测等。笔者就x射线衍射分析所得 的资料， 探索了在储层分类、 沉积环境反衍、 岩密度及可动流体含量计算方面的应用。 3. 1 储层分类、 沉积环境反衍 根据x射线衍射仪测得的岩石矿物成分， 可以确定地层中的主要成分。如图7所示， f8井地层的主要成分是泥质、 砂质和灰质， 完全可以确定属于碎屑岩储层， 而且850.0 m以 上不含灰质， 胶结物为泥质；850.0 m以下砂质含量明显减少， 胶结物为灰质和泥质， 物性明 显变差。 另外， 三种主要矿物含量的纵向变化也反映出沉积环境的变化， 该井所在区域的沉积背 景为湖相。816.0 m以上为纯砂泥岩段不含灰质成分， 应属于滨浅湖沉积亚相；850.0 m以 下连续含灰质， 应属于半深湖沉积亚相；816.0 848.0 m间歇性含灰质， 属于滨浅湖亚相至 半深湖亚相的过渡带。而且， 深入分析具有环境指示意义的矿物含量变化， 可以为单井沉积 环境的研究提供可靠依据， 如石膏反映干旱环境、 石盐反映咸水蒸发环境等。 3. 2 岩性密度计算 在测得岩样中各种矿物含量的前提下， 参考矿物的标准密度值 （表1） 可求得岩样的密 度， 公式为： 岩性密度 5 矿物密度3百分含量 根据x衍射计算出的岩性密度数值和测井补偿密度数值对比， 从对比图 （图8） 上可以 看出， 两者在绝对值上差别不大， 而且在曲线形态上基本一致， 说明了通过x衍射矿物成分 含量计算岩性密度具有较好的效果， 更重要的是该项技术不受井眼直径影响。 泥岩 砂岩 黏土含量/ 砂质含量/ 砂岩区 泥岩区 10 0 20 40 60 80 203040506070 图6 泥岩与砂岩识别图版 73 ? 表 1 常见造岩矿物密度表 单位：g/cm3 黏土矿物石英钾长石斜长石方解石白云石铁白云石 2.22.662.562.612.62.862.86 石盐硬石膏刚玉黄铁矿无水芒硝方沸石 2.12.93.9552.72.22 3. 3 计算可动流体含量 将地层分为岩石骨架和流体两部分， 测井所测得的密度是地层的平均密度， 包括了骨架 和流体。x射线衍射采集的样品是干样， 对于含油样品需进行去油处理， 理论上测得的是纯 岩石密度， 不包括可动流体。假设岩样体积为1， 按质量相等可得到公式： dfd 1 （12d） dma 5 den 可求得可动流体含量计算公式： d 5 dma 2 den dma 2 df 钻时 /（minm-1） 深 度 /m 地 层 0 100 0 810 820 830 840 850 860 870 20 44 45 46 47 48 49 50 200 岩性 剖面 全烃/ 黏土及其他 灰质 沉积环境 纯砂泥岩，从 区域背景分析 为滨浅湖亚相 石英 1 长石 气 测 异 常 c1 200 c2 200 c3 200 i-c4 200 n-c4 1000 100 100 0 0 录 井 解 释 灰质间互出现， 为两个相带的 过渡带，从 区域背景分析 为滨浅湖与半 深湖亚相过 渡带 灰质连续出现， 砂质含量明 显减少，从区 域背景分析为 半深湖亚相 图7 f8井x射线衍射分析成果图 74 ? 式中， d 可动流体含量， 小数； dma、df 分别为岩石骨架密度值、 地层流体密度值，g/cm3； den 测井密度值，g/cm3。 dma可以通过x衍射求出，df值可依据区域试油气资料获得， 根据上述计算公式可以计 算出可动流体含量。 根据x衍射计算出的可动流体含量值在纵向上形成剖面， 从成果图 （图9） 上可以看出， 可动流体含量纵向上的曲线形态和砂岩层具有较好的对应性， 说明了通过x衍射矿物成分 含量计算可动流体含量具有较好的效果。 4 总 结 （1） 在特殊钻井条件下，x射线衍射分析仪通过分析矿物成分及其相对含量， 进而准确 地识别岩性， 可以非常清晰地将泥岩、 砂岩、 砂砾岩、 花岗岩常见岩性区分开， 并可建立定量 钻时 /（minm-1） 深 度 /m 0 05 040 2.42.9 2.42.9 100 2 380 2 390 2 400 2 410 2 420 2 430 2 440 剖面 校正 全烃/ 井径 电 测 解 释 衍射密度 补偿密度 c1 c2 c3 50 50 50 50 n-c4 50i-c4 黏土矿物 方解石 石英 1 长石 1000 1000 1000 图8 衍射密度和补偿密度对比图 75 ? 识别图版， 为现场岩性识别提供强有力的技术支持。 （2） 利用x衍射矿物成分及其相对含量建立了x衍射剖面， 并可以通过特征矿物含量 的变化来分析沉积环境的变化， 计算出的岩性密度和可动流体含量可以为单井解释和评价 提供定量的数据支持， 具有推广意义。 参考文献 1 占蓉， 邹筱春， 李芳 . 随钻x射线衍射分析录井技术应用研究 j. 录井工程，2012 （4） ：1-5. 2 蒋生武， 杨飞， 周晓军， 等 . 利用x射线衍射作全岩分析研究沉积体系特征 j. 化学工程与装备， 2011 （8） ：129-130. 3 杨新萍 .x射线衍射技术的发展和应用 j. 山西师范大学学报 （自然科学版） ，2007 （1） ：72-76. 4 滕工生， 杨光照， 修天竹 . 随钻x射线衍射分析仪在吉林探区的试