渤海深部巖石全巖和粘土定量分析的實驗研究

付傳紅，崔金鋒，王金樂，張代明，劉凱泉，董志滟

(山東科瑞石油裝備有限公司, 山東 東營 257000)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，對能源的需求越來越多。如今，我國面臨著前所未有的能源短缺，特別是石油資源的對外依存度將增加到50%以上。解決石油資源的匱乏問題已經成為我國經濟發展之必需，而海洋油氣資源的勘探和開發為經濟的發展注入了新的活力[1-3]，但深海底部復雜的巖石又為油氣資源的勘探、開采帶來了巨大的障礙。為了高效率地破壞海洋底部巖石以及探測、開采油氣資源，必須對巖石的礦物成分和粘土成分有深入的了解。

為了加快渤海地區油氣資源的勘探與開采，該領域的相關專家和學者對其進行了大量的研究。王威等[4-5]通過系統精確地解剖渤海某油田油氣藏及內部結構，揭示油氣分布規律，建立儲層三維空間定量分析模型，為該油田整體開發方案的設計與優化提供了基礎；徐守余等[6-8]通過研究渤海灣盆地不同級序的構造體系、砂巖儲層巖石學特征，為加快渤海地區油氣資源的開采提供科學依據;徐杰等[9]則研究了渤海地區地質構造格局對油氣成藏的影響。但這些方法并沒有很好地解決渤海地區油氣資源勘探、開采所面臨的問題。

本文通過X射線衍射法對從渤海地區采取的5個巖樣進行全巖礦物成分和粘土礦物成分的定量分析，得到了5種巖石試樣在不同井號、井深、巖性下的礦物成分百分含量以及粘土中所含礦物相對含量，在礦物百分含量分析的基礎上展開對同一井號不同巖性、深度的粘土礦物相對含量分析，將分析結果進行統計和曲線的擬合，然后進行現場的應用，驗證了定量分析實驗研究的準確性和合理性。該實驗研究可為加快渤海深海地區油氣資源的勘探和開采提供借鑒。

1 實 驗

1.1 巖石樣品的處理

實驗樣品來自某鉆井公司在渤海深海采取的天然高純度巖樣。針對不同井號在不同井深處采取的巖石進行篩選，盡量選用更典型、純度更好的巖性并對其進行樣品編號，如表1所示。樣品照片如圖1所示。

表1 巖石成分實驗樣品

圖1 巖石樣品圖片Fig.1 Pictures of rock samples

1.2 實驗裝置與方法

實驗在西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室進行。測試設備主要采用X’Pert PRO X射線衍射儀，如圖2所示。設備采用了帕納科公司新推出的超能陣列探測器，該探測器采用實時多道(RTMS)技術，內置100多個微型探測器，可同時對多種信號進行接收，精確度和自動化程度極高。X’Pert PRO X射線衍射儀采用了多種后處理軟件并與計算機連接，界面非常地友好和清晰。測試采用SY/T 5163—2010[10]所述分析方法進行分析，測試在室內進行，溫度為25～30 ℃，相對濕度小于等于70%。

2 實驗結果及分析

2.1 全巖礦物成分的定量分析

在石油、礦藏的勘探開發過程中，如何方便、快速、高效地檢測出巖石中各種礦物成分的含量對巖性分析、鉆頭的選用、鉆井方式以及礦物儲量、含油量和油性的分析有重要的意義，因此，對巖石的礦物成分含量進行分析顯得十分重要。本實驗針對所采用的兩組井號取自不同深度、不同巖性的5個樣品進行礦物百分含量的實驗，并將測試所得數據進行篩選、統計，將部分數據進行曲線擬合。擬合結果如表2所示，實驗結果如圖3和圖4所示(注：本文所得所有圖形和擬合曲線僅適用于井深2 780 m以下巖性)。對于1號井，井深2 786 m處為淺灰色粉砂巖，井深2 787 m處為灰色泥巖，井深2 930.4 m處為灰色灰巖。對于2號井，井深4 044.6 m處為灰色安山巖，井深4 045.4 m處為泥巖。

表2 1號井全巖不同礦物成分曲線擬合結果

圖3 1號井不同巖性在不同深度的礦物百分比含量Fig.3 Minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No. 1 well

圖4 2號井不同巖性在不同深度的礦物百分比含量Fig.4 Minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No.2 well

從以上圖表分析可知：1號井在不同深度的巖性是不同的，樣品1中的粘土總量最多，達到43.51%，其次為樣品2，并且隨著井深的增加粘土含量在不斷降低。石英的含量在樣品3中最多，該巖性質地堅硬，不利于石油鉆探，因此，在鉆探該地層時應盡量選用抗研磨、抗沖擊的孕鑲鉆頭進行鉆探。樣品2中不含正長石，正長石含量隨著深度的增加而降低。方解石含量卻隨著深度的增加而增加，實驗樣品中僅樣品2中含有方解石，且方解石的含量在整個礦物的百分比含量中最多，達到58.13%，是粘土含量的30多倍；在樣品2中，僅含有方解石和粘土兩種礦物，而方解石的莫式硬度比較低，使得樣品2至軟，用PDC鉆頭就能夠較好地完成鉆探任務。白云石、菱鐵礦、黃鐵礦在整個礦物成分中所占的比重很少，并且總體上都隨井深的增加而呈下降的趨勢，但這些礦物元素對巖石的形成發揮了不可替代的作用。

2號井僅取了兩個樣本進行試驗，深度相差不到1 m，但巖性卻明顯不同，在各類礦物百分比含量中仍然是粘土總量所占比重最大，而且樣品4的粘土總量要遠大于樣品5的粘土總量，約為其1.8倍。樣品4中不含石英，但樣品5中石英的含量與粘土總量十分接近，約為38.67%，在整個礦物百分含量中如此多的石英含量使得該地層在石油鉆探中必須應用耐磨的孕鑲鉆頭才能提高機械鉆速，減低鉆井成本。樣品4和樣品5中斜長石的含量差別不大，樣品4中為8.81%，而樣品5中為10.75%，斜長石的硬度為6～6.52，巖性比較脆，在石油鉆探中要注意鉆頭的選用和參數的設定。方解石的莫式硬度為3，在礦物百分含量中占的比重較低，并且在兩種巖性中含量差別也不大；同樣，菱鐵礦、黃鐵礦在礦物百分含量中所占的比重也較低。

2.2 粘土礦物成分的定量分析

粘土作為一種重要的礦物原料，在石油鉆探和開發油氣礦床中以及在第二次回收中都起著重要的作用。而高質量的鉆井泥漿正是利用了粘土中的蒙脫石、綠泥石等重要礦物元素所制成的，這些礦物元素具有很好的抗電介質凝結效應的性能。在石油鉆井過程，如果能夠加強對所鉆地層中各種巖性、所含粘土礦物的結晶化學結構以及其礦物元素的研究，就能夠按照真實的現存地層條件配制不同介質成分的鉆井泥漿，從而能夠控制吸附離子交換的物理過程和鉆探地層的其他現象，并且能夠防止井壁垮塌之類事故的發生[11-13]，因此，加強對巖石的粘土礦物成分的定量分析對于石油的勘探和開采尤其重要。

在對巖石的全巖定量分析中發現，樣品4和樣品5在同一井中取得，并且樣品之間的深度差距很小，使得兩者之間的粘土礦物成分差別不大，所以，本文在進行粘土礦物成分的定量分析時僅對1號井中的3個樣品進行分析。測試結果如圖5所示。將測試結果進行曲線擬合，擬合結果如表3所示，為理論模型的建立提供一定的參考。

圖5 1號井不同巖性在不同深度的粘土礦物相對含量圖Fig.5 Map of clay minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No.1 well

表3 1號井粘土不同礦物成分曲線擬合結果

根據圖5和表3 分析可知：在1號井中，不同巖性、深度的巖石所含的粘土礦物成分是相同的，都含有伊利石、伊/蒙、高嶺石，都不含蒙脫石和綠泥石。樣品1中所含伊利石最少，相對含量為20.35%，隨著井深的增加伊利石含量也在不斷增加。伊利石又稱為水白云母，是最常見的一種粘土礦物，常由白云母、鉀長石風化而成，因此，伊利石相對含量的多少對粘土的形成起著至關重要的作用。1號井的前3個樣品中都含有伊蒙混合物和高嶺石，樣品1中高嶺石的含量最多，達54.65%，而樣品3中的伊蒙混合物含量最多，為26.27%。在粘土礦物相對含量分析中，樣品1～3的膠結物主要由伊蒙混合物和大量的高嶺石組成，這種儲集巖非常，有利于油氣資源的生成。樣品中粘土膠結物的礦物成分決定著石油的產量，所以，在注水時，所注水的鹽度以及泥漿液的選擇必須根據巖石膠結物中粘土礦物成分的種類而確定[13-16]。

由于樣品數量的限制，并考慮到所選參數的多少對曲線擬合的影響，表3中僅對1號井中的粘土不同礦物成分的相對含量進行了曲線擬合。從擬合的相關性來看，只有伊/蒙的擬合精確度最高，相關系數為0.974 3。

3 現場應用

對應實驗分析結果，進行現場應用。首先，利用X射線衍射法對從1號井中井深為2 790.4 m處取得的淺灰色粉砂巖進行全巖和粘土礦物成分分析，對從2號井中井深為4 045 m處取得的泥巖進行全巖礦物成分分析。其次，根據以上得到的曲線擬合函數以及圖表分別對2 790.4 m和4 045 m處的淺灰色粉砂巖、泥巖進行全巖、粘土礦物成分含量的擬合公式計算。最后，將實驗測試結果與擬合公式計算結果進行對比分析，如表4和表5所示。結果發現，從井深為2 790.4 m和4 045 m處取得的淺灰色粉砂巖、泥巖進行的X射線衍射全巖和粘土礦物成分的定量試驗分析結果與根據曲線擬合函數和圖表得出的數值求解結果基本吻合，誤差在5%以內，驗證了分析的準確性與合理性。

表4 井深為2 790.4 m時測試值與計算值對比

表5 井深為4 045 m時測試值與計算值對比

4 結 語

對5個樣品進行了全巖礦物百分含量的定量分析。每種巖性所含有的礦物百分含量是不同的，但所有樣品的全巖礦物成分中都不含方沸石。灰色安山巖中含有的粘土總量最多，灰色泥巖中含有大量的石英，白云石、菱鐵礦和黃鐵礦在整個礦物成分中所占的比重是很少的，并且總體上都隨井深的增加而呈下降的趨勢，但是這些礦物成分對巖石的形成起到了不可替代的作用。

對5個樣品進行了粘土礦物相對含量的定量分析。每種巖性的粘土礦物相對含量是不同的，但所有樣品的間層比是一樣的，都是20%。伊利石、伊/蒙、高嶺石在5個樣品中含量分布相對比較平衡并且都較多，而這些礦物元素對油氣資源的生成具有重要的作用，是配制高質量鉆井液所必用的元素。

通過對部分全巖礦物百分含量以及粘土礦物相對含量的曲線擬合可知，全巖礦物百分含量的曲線擬合精確度和準確性要明顯高于粘土礦物相對含量的曲線擬合。通過對全巖礦物百分含量以及粘土礦物相對含量的定量分析，為石油資源的勘探、鉆頭的選用以及參數的設定、鉆井液的配制和選用等提供了參考，為提高鉆井效率、機械鉆速、防止井壁的垮塌提供了借鑒。

[1] Mitchell J V, Mitchell B. Structural crisis in the oil and gas industry [J]. Energy Policy, 2014, 64(5): 36.

[2] Lutz C, Lehr U, Wiebe K S. Economic effects of peak oil [J]. Energy Policy, 2014, 48(3) :829.

[3] Islam M T, Shahir S A, Uddin T M I, et al. Current energy scenario and future prospect of renewable energy in Bangladesh [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 39(6): 1074.

[4] 王威. 渤海南部渤中A油田儲層三維地質建模與油藏數值模擬一體化研究[D]. 成都: 西南石油大學, 2013.

[5] 戴家全. 最優化及控制理論在油氣勘探與開發中的應用[D]. 大連: 大連理工大學, 2003.

[6] 徐守余. 渤海灣地區盆地動力學分析及油田地質災害研究[D]. 北京: 中國地質大學, 2004.

[7] 宮萍萍. 環渤海灣地區石炭-二疊系油氣成藏條件分析[D]. 濟南: 山東科技大學, 2009.

[8] 姜迪迪, 江為為, 胡衛劍. 環渤海地區地殼結構及其動力學特征研究[J]. 地球物理學進展, 2013, 28(4): 1729.

[9] 徐杰, 周本剛, 計鳳桔, 等. 渤海地區新構造格局[J]. 石油學報, 2011, 32(3): 442.

[10] 中國石油天然氣總公司. SY/T 5163-2010. 沉積巖粘土礦物相對含量X射線衍射分析方法[S]. 2010.

[11] 李軍華, 吳煒, 何艷, 等. 近紅外光譜對天然巖石中礦物成分含量測定的研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(1): 85.

[12] Valanciene V, Siauciunas R, Valancius Z. Evaluation of glauconite rock color stability during firing [J]. Applied Clay Science, 2014, 99(9): 110.

[13] C·Γ ·薩爾基先, 周中毅. 自生粘土礦物的成因及其在石油地質中的意義[J]. 地質地球化學, 1974(6): 9.

[14] Corrêa I C S, Toldo E E, Toledo F A L. Seafloor geological impacts associated with drilling disturbance [J]. Deep-Sea Research II, 2009, 56(1-2): 4.

[15] 陳尚斌, 朱炎銘, 王紅巖, 等. 四川盆地南緣下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層礦物成分特征及意義[J]. 石油學報, 2011, 32(5): 775.

[16] Galan E, Ferrell R E. Genesis of clay minerals [D]. Developments in Clay Science, 2013, 5: 83.