第二章 岩心分析

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；

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；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、连同孔隙度气测法、煤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、图像分析、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结构石英、长石岩屑、云母粒度大小、分布筛析法、薄片粒度图像分析接触关系、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、碳酸盐含量测定表2-1岩心分析揭示的内容和所用的方法二、取样要求样品为成形岩心或钻屑。经验表明，钻屑代表性很差，通常使用成形岩心，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。

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(SiO2·Al2O3·nHO)、胶硅铁石(SiO2·Fe2O3·nHO)等。特点：粘土矿物颗粒通常很细，大约1~5μm，一般小于2μm。二、粘土矿物的结构类型1.粘土矿物的基本结构单元①四面体：指Si4+在中心、O2-在四周紧密结合起来构成的立体几何图形，正好是四个面故称四面体。因它由Si和O组成，故又称Si-O四面体。图2-3

单个硅氧四面体

氧硅②四面体片：在一个平面上四面体以三个顶点相连结，第四个顶点都指向同一个方向，这样连续成一系列六边形网面，称为四面体片，简称晶片。四面体晶片用符号（T）表示。图2-4

硅氧四面体面片

氧硅③八面体：指Al3+(或Mg2+)在中心、四周有六个阴离子O2-或OH-构成的一个立体几何图形正好是八个面，故称为八面体。因其由Al3+和O2-组成，故又称它为Al-O八面体。

氧铝、镁等图2-5

单个铝氧（或氢氧）八面体

氧（氢氧）铝、镁等图2-6

铝氧（或氢氧）八面体面片④八面体片：由八面体沿一个平面相互连接而成，以(O)表示。⑤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：①TO型结构（或1:1型），高岭石属此类。②TOT型结构（或2:1型），蒙脱石、伊利石属此类。③TOT·O型结构（或2:1＋1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A14［Si4O10］(OH)8，其结构示为：图2-7

1:1型层状粘土（高岭石）晶面间距d001：7.15×10-1nm～7.2×10-1nm；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。

由两片Si-O四面体片夹一片Al(Fe，Mg)-O(OH)八面体片结合成一单个单元结构层。蒙脱石和伊利石属于此种类型的粘土矿物。2.2:1型的粘土矿物（TOT型）-蒙脱石图2-8

2:1型层状粘土（蒙脱石）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+

、Ca2+

、nH2O。晶面间距d001：晶面间距比高岭石大，蒙脱石的d001为12.7～17.2×10-1nm；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），损害储集层渗透率！3.伊利石矿物（2:1型的粘土矿物-TOT型）伊利石的一般结构式如下：Kx+y(Al2-yMgy)(Si4-xAlx)O10(OH)2图2-9

2:1型伊利石结构图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1.33×10-1nm，2个四面体六方网眼半径为l.4×10-1nm，上下两个为2×1.4×10-1nm)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10×10-1nm。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14×10-1nm以上。这种脱Κ+伊利石称为蚀变伊利石或降解伊利石。特点：4.

2:1+1型（TOT·O型）粘土矿物-绿泥石

这类粘土矿物类似伊利石结构，即两个SI-O四面体片夹一个Al-O八面体片，不同之处是多出一片氢氧镁石(水镁石)八面体片。图2-10

2:1+1型绿泥石结构图绿泥石的结构化学式为：｛Mg6［AlxSi8-xO20］(OH)4｝n-1·｛（Mg6–xAlx(OH)12｝n+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14.2×10-1nm。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

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。

第三节岩心分析技术及应用一、X射线衍射（XRD）分析技术

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。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。所以又称为粉晶X射线物相分析。XRD是保护储集层中岩芯分析的主要方法之一。

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2-1岩石粉晶X射线衍射图谱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。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37µm(或44µm)即能通过400目(或325目)筛的细粒物质。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。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。

地层微粒分析可以为矿物微粒稳定剂的筛选、解堵措施的优化提供依据。b.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,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。c.粘土矿物类型鉴定和含量计算

利用粘土矿物特征峰的d001值鉴定粘土矿物类型表2-2各族主要粘土矿物的射线衍射特征矿物蒙皂石12~15—4~5—2.4~3绿泥石14.27.14.73.532.8蛭石14.27.14.73.532.8伊利石10.05.03.332.5—高岭石7.153.582.37——d.间层矿物鉴定和间层比计算储层中常见间层矿物大多是由膨胀层与非膨胀层单元相间构成。表2-3主要间层粘土矿物类型（WilsonNadeau,1985）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纳板石(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/皂石）绿泥石/蒙皂石（绿泥石/蛭石）高岭石/蒙皂石对间层矿物的间层类型、间层比和有高序度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

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。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。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。云母片间隙粒间分布叶片状绿泥石，见片状伊利石长石粒内溶蚀孔隙粒间分布叶片状绿泥石，见石英次生加大晶面粒间分布的书页状高岭石粒间泥质胶结紧密特点：①耗样少、制样简单；②观测视场大、立体感强；③放大倍数范围宽且连续可调；④直观、快速、有效；⑤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结构中微粒的类型、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.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。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分子式10-1nm单体形态集合体形态1:1高岭石高岭石地开石Al4(Si4O10)(OH)87.1~7.23.58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)810.05针管状细微棒状巢状2:1蒙皂石蒙脱石蒙皂石RX(AlMg)2(Si4O10)(OH)24H2ONa蒙托石2.99/Ca蒙托石15.50弯片状皱片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∙MH2O10鳞片状