油气储层砂岩样品制冷—加热循环解离技术实验研究

张有瑜，Horst Zwingmann，刘可禹,，陶士振，罗修泉

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油天然气集团公司 盆地构造与油气成藏重点实验室， 北京 100083； 3.提高采收率国家重点实验室，北京 100083； 4.Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Earth Science and Resource Engineering, P.O. Box 1130, Bentley, WA 6102, Australia)

油气储层砂岩样品制冷—加热循环解离技术实验研究

张有瑜1,2,3，Horst Zwingmann4，刘可禹1,2,3,4，陶士振1，罗修泉1

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油天然气集团公司 盆地构造与油气成藏重点实验室， 北京 100083； 3.提高采收率国家重点实验室，北京 100083； 4.Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Earth Science and Resource Engineering, P.O. Box 1130, Bentley, WA 6102, Australia)

制冷—加热循环解离技术(简称冷冻技术)是自生伊利石分离提纯过程中制备黏土悬浮液的一项新技术。利用批量典型样品对该项技术的解离效果及其影响因素进行了详细研究，并与常规湿磨技术进行了系统对比。与湿磨技术相比，冷冻技术既有优越性，也有局限性。优越性主要表现在剔除碎屑钾长石效果略微偏好和实测年龄数值相对偏小方面；局限性主要表现在解离效果变化较大，部分砂岩样品相对较好，部分砂岩样品则相对较差，样品埋深是影响解离效果的最主要因素，炭屑(薄煤层)、泥质含量以及是否含油等对解离效果具有明显控制作用。冷冻技术对于坚硬程度中等的中浅层或中深层砂岩效果较好，具有较好的应用前景；而对于坚硬程度较高的深层或超深层砂岩则效果较差，甚至不宜采用。研究还表明，湿磨仍不失为制备黏土悬浮液的一种行之有效的实用技术，简便快捷并且效果较好，具有较好的应用前景。

冷冻技术；湿磨技术；黏土悬浮液制备；自生伊利石分离；自生伊利石K-Ar测年；油气成藏史

油气成藏年代学研究是当前油气勘探中的“热点”问题之一。自生伊利石是砂岩储层中的常见胶结物，由于含有钾，适合于进行K-Ar同位素年龄测定。由于可以提供重要的油气注入年代学数据，自生伊利石K-Ar同位素年龄测定受到了广大油气勘探工作者的广泛重视，并已逐渐成为当前油气成藏史研究中的一项重要内容。

自生伊利石分离提纯是砂岩储层自生伊利石K-Ar同位素测年分析的关键技术之一，剔除碎屑钾长石和碎屑伊利石等碎屑含钾矿物杂质并尽量使自生伊利石得到最大程度的富集是其主要目的。从目前情况来看，尽量提取较细粒级的黏土组分，很可能是实现这一目的的唯一有效途径。此外，分离过程中尽量避免对碎屑钾长石和碎屑伊利石等碎屑含钾矿物的过度破碎也同样具有非常重要的意义。

制备黏土悬浮液是自生伊利石分离提纯的第一个重要环节。悬浮液制备的好坏将会直接影响分离提纯效果。制备黏土悬浮液，常规的办法一般是采用湿磨，也就是把经过“粗碎”(5 mm以下)和浸泡后的砂岩样品连水一起倒入瓷研钵中进行研磨，即湿磨，从而使黏土颗粒(如自生伊利石等)与非黏土颗粒(如石英、碎屑钾长石、碎屑伊利石等)分开(相互脱离)。在常规黏土分离中，这一步流程一般称之为“细碎”。当砂岩样品比较致密坚硬时，湿磨可能会使非黏土颗粒被过度破碎至黏土粒级，从而使在后续分离过程中所提取的较细粒级(如小于0.3 μm或更细)的黏土组分中仍然含有碎屑钾长石和/或碎屑伊利石，进而影响年龄测定结果。为了解决这一问题，Liewig等提出了模拟自然风化过程的制冷—加热循环样品解离技术[1]，Zwingmann等对此进行了研究与应用[2-3]。国内黄宝玲等对该项技术进行过初步探索性研究[4]，王龙樟等[5-6]以及笔者[7-8]等也相继对该项技术进行了实际应用。本文将对该项技术的方法原理、实验技术和实际效果及应用前景进行系统论述。

1 方法原理

砂岩是重要的油气储层之一。各种砂岩均含有不同的孔隙(孔隙度)和具有一定的渗透性。制冷—加热循环样品解离技术，简称冷冻技术，就是根据砂岩具有一定的孔隙度和渗透性的特点，以水为载体，利用水结冰时体积膨胀原理，使进入孔隙中的水产生体积膨胀并对石英、长石等骨架颗粒形成膨胀压力，利用制冷—加热循环装置使体积胀缩过程周而复始、自动重复，直至骨架颗粒相互崩解，从而使生长在孔隙中和骨架颗粒表面上的自生伊利石等胶结物脱落。

2 实验设备与方法

制冷—加热循环器是该项实验的主体设备，本次研究采用的是德国Julab公司的产品，型号为FP45-HL(图1a)。该制冷—加热循环器配有一个微控制单元(集成程序设计器)，可以预存6个制冷—加热程序(profile)，自动循环；水浴槽开口尺寸为23 cm×26 cm (W×L)，深度(D)为20 cm；工作液为乙二醇/蒸馏水混合液(50%/50%，V/V)，工作温度范围为-40～200 ℃。

首先用锤子把砂岩岩心样品破碎成小于1 cm3大小的细小块状(图2a)，并装入容积为500 mL的特氟隆瓶子中，加入适量蒸馏水后，盖上盖子，然后把装有样品的特氟隆瓶子放在水浴槽的工作液即冷冻液中，盖上水浴槽盖子后，便可以启动机器、运行预先编好的制冷—加热程序(如profile 0)并设定循环次数(run，代号为r)等于99后，即可以开始冷冻—加热循环解离实验(图1b)。表1是本次研究经过多次实验确定的制冷—加热程序(profile 0)。表1中的设定温度和设定时间均可以根据实验情况进行适当调整。表1中时间为零，表示对该实验阶段不设既定工作时间，设备达到预设定温度后自动进入下一个温度阶段；温度阶段编号不连续设定，如1,3,6,9的用意在于留有充分余地，需要时可以在2个相邻温度阶段之间增加新的温度阶段如2,4,5等。由于从40 ℃降温至-25 ℃和从-25 ℃升温至40 ℃均需要一定时间，分别约为3 h和1 h，所以一个循环约需12 h，一个昼夜(d)可以完成2个循环。

图1 制冷—加热循环器和特氟隆样品瓶、冷冻液瓶颈上的铝片为永久标签，分别打有1～8个圆孔，以表示1～8号瓶子

图2 制冷—加热循环砂岩样品解离效果

温度阶段编号设定温度/℃设定时间/(HH：MI)仪器工作状态1-25．0000：00 从室温(开机时)或40℃(运行时)降温至-25℃，不设既定工作时间3-25．0003：30 保持-25℃并恒温3．5h640．0000：00 从-25℃升温至40℃，不设既定工作时间940．0004：30 保持40℃并恒温4．5h

笔者的经验表明，在砂岩样品制冷—加热循环解离实验过程中，有以下4个方面的问题应该引起重视：①对特氟隆瓶子一定要做好永久性编号，并对装样情况做好详细记录；②破碎成小于1 cm3大小的细小块状砂岩样品在装入特氟隆瓶子之前，最好过35 目筛，因为在用锤子砸碎样品的过程中，可能会把石英、长石等骨架颗粒碎成粉末，如果不把这部分粉末去掉，可能会对分离提纯质量产生影响；③在往特氟隆瓶中加蒸馏水时，切不可加满，一定要留下少量空间，以防冷冻时因蒸馏水体积膨胀而使特氟隆瓶子胀裂；④设定循环次数(run)等于99的目的，在于使机器较长时间内不停机，待到砂岩样品彻底充分解离(图2b,c)时，可以通过人工干预方式实现停机。

3 实验样品

本次研究选择了一批具有典型特征的砂岩样品进行实验(表2)，28块砂岩样品基本上可以划分为3组。

第一组为库车坳陷依南2气田侏罗系砂岩(6块)，埋深相对较深(4 535～4 966 m)，泥质、硅质胶结，黏土矿物均主要为伊利石/蒙皂石(I/S)有序间层(65%～92%)和伊利石(6%～20%)，I/S有序间层的间层比较低(15%)，含少量绿泥石，个别样品含少量高岭石；含油级别主要为荧光，个别为油迹(A2号)；根据致密疏松情况可以进一步划分为2类，一类主要为阳霞组(J1y)，相对较疏松，含炭屑或薄煤层，硅化弱，孔渗相对较好(A1号，图3a)；另一类为阿合组(J1a)，致密度相对较高，多为较硬或坚硬，硅化强，孔渗相对较低(A6号，图3a)；扫描电镜下观察也显示出类似特征，前者见有粒缘缝、粒间溶孔，后者则基本不见孔隙(图4a，b)。

第二组为四川盆地三叠系须家河组砂岩(12块)，埋深相对较浅(1 715～2 548 m)，主要为灰质胶结,绿泥石、硅质次之，孔隙度、渗透率均相对较低，黏土矿物主要为绿泥石(60%～88%)，其次为I/S有序间层(12%～40%)，I/S有序间层的间层比较低(5%)，其中有4块样品含油或微含油(A11,A14,A15,A16)；同样可以划分为2类，一类疏松或较疏松，含煤，包括A7～A13和A16～18，共10块样品，以A7号样品为代表(图3b)；另一类较硬，包括A14和A15，以A14号样品为代表(图3b)；扫描电镜下观察也显示出类似特征，前者见有粒间孔隙，后者则孔隙少(图4c,d)。

表2 部分典型砂岩样品的岩石学特征及其冷冻—加热循环解离效果

注：I/S表示伊/蒙间层；I表示伊利石；K表示高岭石；C表示绿泥石；*表示冷冻法分离的小于1 μm黏土组分黏土矿物组成；解离程 度为100%表示块状砂岩样品全部解离成小于1 mm或更细的粉砂和黏土粉末；解离程度为95%表示尚有5%的砂岩样品未解离， 即仍为块状，余此类推。

图3 砂岩样品的岩石学特征(岩心照片)与其制冷—加热循环解离时间

图4 部分典型砂岩样品的岩石学特征(SEM)与其解离时间

4 解离效果及其影响因素

4.1 解离效率

解离效率可以用3个方面的参数进行定量表征：一是解离时间，二是解离速度，三是解离程度。

(1)解离时间指的是把厘米大小的块状砂岩样品解离成粉砂或粉末状所需要的时间，可以用冷冻—加热循环次数(r)或天数(d)表示。解离时间长短实际上反映的是解离速度快慢。(2)由于解离速度概念，虽然理论上清晰，但实际上很难测定，所以这里用解离时间间接表示，不单独进行讨论。时间短、速度快有利于提高工作效率和缩短样品分析测试周期。从表2可以看出，本次实验样品的解离时间变化范围非常大。(3)解离程度也可以称为解离率或解离百分比，指的是把厘米大小的块状砂岩样品解离成粉砂或粉末状的彻底程度。同样，从实用角度上讲，显然是越彻底越好。解离得越彻底，越有利于自生伊利石等黏土组分从砂岩骨架颗粒上脱落，脱落得越多，越有利于在后续的自生伊利石分离提纯环节中提取更多的自生伊利石黏土组分。从表2可以看出，本次实验样品的解离程度同样相差较大。

解离效率主要与砂岩样品的物理特性密切相关，孔、渗好，固结弱，效率高；孔、渗差，固结强，效率低，道理很明显，孔隙发育并且连通好，蒸馏水便会很容易地进入砂岩岩石内部，固结弱表明，只需要相对较小的膨胀力，就可以使其崩解；孔隙不发育并且连通较差或者不连通，蒸馏水很难进入砂岩岩石内部，固结强表明，需要有较大的膨胀力，才能使其崩解。从表2可以看出，本次实验研究成果很好地反映了这种规律性。总体上讲，四川盆地三叠系砂岩，埋深浅、疏松，解离效率较高，解离彻底(解离程度为100%)并且解离时间相对较短，多为48 d；依南2井侏罗系阿合组砂岩，埋深较深、致密、较硬—坚硬，解离效率中等，解离时间主要为150 d，解离程度为95%～100%；塔中47井石炭—志留系砂岩，埋深较深、以坚硬为主，解离效率较低，解离时间较长，长达420～840 d，并且解离程度较低，为50%～85%。砂岩的物理特性是粒度、分选、压实、固结、胶结类型、胶结强度等结构特征和沉积—成岩过程中的各种因素综合作用的结果。尽管这些因素之间既相互影响又相互制约，但除了粒度、分选等结构特征因素之外，一般说来，压实、固结、胶结类型、胶结强度等因素均或多或少地与埋深具有较为直接的对应关系，即埋深大，则致密、坚硬；埋深浅，则相对松、软。显然，样品埋深应该是解离效率的最主要影响因素，本次实验研究很好地证明了这一点(图5)。

图5 部分典型砂岩样品解离时间与埋深关系曲线

值得注意的是，图5中的样品解离时间与埋深并不是呈线性相关，而可能是呈二次函数相关，并且相关系数较低，只有0.57。说明解离效率，也即解离时间的控制因素非常复杂，除了埋深以外，还有其他因素在起着更加关键的控制作用。譬如，依南2井阳霞组砂岩，4块样品的埋深基本接近，在4 535～4 560 m之间，但解离时间却相差5倍，其中的A1～A3号样品为30 d，A4号样品为150 d。岩心观察表明，A1～A3号样品普遍含有较多的炭屑或薄煤层并且相对疏松(表2，图3a)。显然，炭屑或薄煤层起到了关键控制作用。炭屑或薄煤层使砂岩样品存在薄弱部位，蒸馏水会很容易进入岩石内部进而加速崩解。再譬如，四川三叠系砂岩12块样品埋深相差不大，介于1 715～2 548 m之间，坚硬程度差异也不是太明显，但解离时间却相差1倍多，其中的A7～A10、A12～A13、A17～A18号样品为48 d，A11、A14～A16号样品为99 d。进一步对比可以发现，4块解离时间较长的样品均为含油砂岩(表2，图3b)。显然，原油的存在使蒸馏水向孔隙内部的渗入受到抑制，从而使解离效率大幅度降低，说明含油与否可能是除坚硬程度之外的另外一项重要影响因素。此外，虽然埋深相近，但孔隙发育情况、泥质含量和硅化强度等相差较大可能也是导致解离时间与埋深之间的相关系数相对较低的另外一项主要原因。特别是泥质含量和硅化强度可能对解离效率具有更加明显的控制作用，塔中47井的石炭—志留系砂岩很好地说明了这一点。从表2可以看出，A19～A23和A24～A28号2组样品均属于上、下层砂岩，彼此之间埋深相差非常小，但解离时间却相差非常大，快者仅需37～38 d或59 d，慢者则长达420 d、840 d或更长(因为没有解离彻底)。通过对比可以发现，A20、A21号样品，埋深仅相差1 m，孔隙发育情况大致相当，但解离时间却相差非常大，前者仅为37 d，后者则长达840 d或更长，二者之间硬度即硅化程度相差较大可能是主要原因；再比如A24、A25号样品，埋深仅相差2 m，孔隙都不发育，但解离时间同样相差非常大，前者仅为59 d，后者则长达420 d，除了硬度以外，二者之间泥质含量相差较大可能也是主要原因之一(表2，图3c)。特别是A26、A27、A28号样品，虽然埋深没有增加太多，但硅化强度增加非常大，非常坚硬，虽然经过长达840 d的制冷—加热循环解离实验，仍有40%～50%没有解离，说明固结程度非常高，实验温度(-25 ℃)条件下由蒸馏水体积膨胀所产生的作用力可能还达不到使其彻底崩解的要求，也就是说解离时间可能会是很长，甚至是无限长。这也很好地解释了为什么解离时间与埋深之间不是简单的线性关系(图5)。

对于孔隙发育情况描述，SEM观察具有明显的优越性，如图4所示，孔隙发育或较发育，一般描述为疏松或较疏松，孔隙不发育，一般描述为致密。但是，应该强调的是，SEM描述中的疏松或较疏松和手标本描述中的疏松或松软并不完全一致。例如样品A20和样品A21，孔隙相对发育，SEM描述均为较疏松，但手标本观察却相差较大，前者较为疏松(松软)，后者则非常坚硬，结果是前者解离时间较短，仅为37 d，而后者则很长，长达840 d以上(表2，图4e，f)。再比如样品A24和样品A28，前者孔隙不发育，SEM描述为致密，后者见有少量孔隙，SEM描述为较致密，但前者解离时间较短(59 d)，后者则很长(840 d以上)或很难彻底解离，说明2块样品在硬度上的差异非常大；解离效果与手标本描述吻合较好，即前者较疏松、泥质含量高，后者坚硬、硅化强(表2，图4g，h)。显然，对于SEM描述和手标本描述以及二者之间的差异，一定要准确理解、综合运用，SEM描述中的所谓疏松、致密主要反映的是孔隙发育情况，手标本描述中的所谓疏松、坚硬主要反映的是样品硬度情况。

4.2 解离质量

解离质量是实验所追求的最终目的，至少应该包括2个方面的含义：(1)利用这种技术制备的黏土悬浮液，通过分离提纯所提取的自生伊利石黏土组分首先是要量足够多。包括2个方面的指标，一是粒级组分个数要多，或所提取的黏土组分粒级要足够细；二是各个粒级组分的样品量要足够多。两个方面的指标相互关联，黏土组分数量较多的样品，一般都能够提取多个不同粒级，特别是相对较细的黏土组分，而黏土组分数量较少的样品，一般只能够提取粒级相对较粗的黏土组分，粒级相对较细的黏土组分则极少或基本没有。(2)所提取的自生伊利石黏土组分要足够纯，也就是使自生伊利石得到最大程度地富集。同样也是包括2个方面的指标，一是不含或基本不含碎屑伊利石和/或碎屑钾长石；二是高岭石、绿泥石等其他黏土矿物越少越好。这里应该强调说明的是，尽管对应该从哪几个方面进行评价很容易理解，但要想利用实验或实验数据作出评价则是非常困难的。因为解离效果，也即自生伊利石分离提纯效果是多方面因素综合作用的结果，既和包括细碎等悬浮液制备技术、分离技术等密切相关，也和砂岩特征密切相关。因此，利用相同样品分别采用传统的湿磨技术和冷冻技术制备黏土悬浮液，进而完成自生伊利石分离提纯，并进一步对所提取的各粒级自生伊利石黏土组分分别进行XRD纯度检测、钾含量测定和氩同位素比值测定等系统配套的实验分析，然后再对实验数据进行分析对比并作出判断可能是较为可行的办法。本次研究利用四川盆地三叠系须家河组砂岩样品(12块)进行了自生伊利石分离提纯对比实验研究，共获得了85组实验分析测试数据，其中采用传统湿磨技术处理的有47组，采用冷冻技术处理的有38组(表3)。

通过对比表3数据发现，总体上讲，分别采用湿磨和冷冻技术分离提取的各个不同对应粒级组分基本一致，没有存在较大的规律性差异,说明对于利用自生伊利石K-Ar年龄测定探讨油气成藏史，从实验技术角度上讲，采用冷冻技术和采用湿磨技术的年龄测定结果都是可信的，两者基本一致，本质上不会产生较大的明显差异。但仍可以发现一些细小的系统差异，并可以从中获得一些有意义的启示，即两种技术的各自强项与弱项，从而为其实际运用提供有价值的参考依据，达到灵活运用、取长补短，获得最佳的实际应用效果。

(1)12块样品中，采用湿磨技术时有11块样品(A7～A11,A13～A18，表3)能够提取小于0.15 μm粒级的黏土组分，而采用冷冻技术时只有2块样品(A15～A16，表3)能够提取小于0.15 μm粒级的黏土组分，说明采用湿磨技术，黏土组分提取效率相对较高，而冷冻技术则相对较低；(2)在黏土矿物特征或黏土矿物组成方面，基本上都是采用湿磨技术的I/S有序间层(自生伊利石)含量偏高，采用冷冻技术的偏低(12块样品中只有A7和A18两块样品的较粗粒级稍有异常)，说明采用湿磨技术，所提取的I/S有序间层(自生伊利石)含量相对较高，而冷冻技术则相对较低；(3)在剔除碎屑钾长石方面，冷冻技术具有一定的优势，特别是在相对较粗粒级，譬如在1～0.5 μm和0.5～0.3 μm组分中，采用湿磨技术时，12块样品全部检测出碎屑钾长石，而采用冷冻技术时，只有一半即6块样品(A12～A13、A15～A18，表3)检测出碎屑钾长石，而在相对较细的粒级组分(0.3～0.15 μm和小于0.15 μm)中，这种优势不十分明显；(4)从年龄数据上看，约1/3的样品年龄值基本一致或相差较小，其余样品的主要特点是采用冷冻技术的年龄值比采用湿磨技术的相对偏小，说明冷冻技术具有一定优势，因为年龄值偏小说明样品可能更纯，即碎屑钾长石含量更低，可能与剔除碎屑钾长石效果略好有关，并且同样也是在相对较粗的粒级组分中表现较为明显。

以上4个方面的对比可以发现，湿磨技术和冷冻技术互有优势，前者在提取更细粒级的自生伊利石和自生伊利石含量方面表现出一定优势，后者在剔除碎屑钾长石方面和自生伊利石实测年龄相对偏小方面表现出一定优势。两种技术的优势主要是由其各自本身的技术特点决定的，可能主要与破碎的粉细程度密切相关。对比而言，湿磨技术可以把砂岩岩石颗粒磨得较细或很细(0.1 mm以下或更细，肉眼估测)，能够使自生伊利石(包括其他黏土胶结物)全部或基本全部从砂岩骨架颗粒上脱落，从而可以最大限度提取自生伊利石；而冷冻技术使砂岩样品解离的粉细程度则相对较低，如前所述一般在毫米级别以下，并且还有相当数量的砂岩碎屑可能大到数毫米(肉眼估测，图2b，c)，从而导致还有相当数量的，特别是更为细小的自生伊利石(包括其他黏土胶结物)，仍然保留在骨架颗粒上没被提取出来。由此可见，湿磨技术，可能会导致碎屑钾长石过度研磨绝非空穴来风，研磨过程中一定要轻、缓、柔，研磨程度一定要适中；粉细程度相对较低可能是冷冻技术的固有缺陷，实验过程中应加长解离时间。

表3 湿磨、制冷—加热循环解离技术自生伊利石分离提纯效果对比数据

续表3

5 应用现状及前景展望

冷冻技术自Liewig等首次提出后，便受到了国内外学者的广泛关注，并被认为是自生伊利石分离提纯的一种发展趋势或潮流[1,9]。毫无疑问，冷冻技术的发明具有非常重要的积极意义，但我们同时也应该看到，在本次研究之前，对于该项技术尚缺乏深入系统的详细研究，对于所谓的优势，还缺乏全面的客观认识，既没有系统的实验数据支持，也没有开展与传统湿磨技术的系统对比实验研究。Liewig等[1]简要介绍了该项技术并对3块砂岩样品进行了解离实验(工作温度区间为-10～ 15 ℃)，尽管其对两种悬浮液制备技术[一为颚式粉碎机和球磨机(19块样品)，一为冷冻技术(3块样品)]的分离效果进行了分析，但没有开展相同样品的对比实验。Zwingmann等[2-3]和王龙樟等[5-6]以及笔者[7-8]等主要是使用该项技术完成了部分砂岩样品的解离。黄宝玲等[4]利用自行设计组装的反复冷冻—解冻碎样装置，开展了初步探索性研究，但可能不够系统全面，一是工作温度区间可能偏窄(-10～ 10 ℃)；二是所提取的黏土组分粒级偏粗，且分级较宽(2～1 μm，1～0.2 μm ，小于0.2 μm)；三是实验数据不配套或不完整，特别是只对1块样品进行了K-Ar年龄测定，并且对最细粒级(小于0.2 μm)的黏土组分没有进行K-Ar年龄测定。云建兵等[10]采用人工办法，将装有砂岩样品碎块(1 cm大小)的不锈钢容器轮流置入冷柜(-18 ℃)和烘箱(60 ℃)中，理论上讲，其解离效率应该相对较低。

本次对比实验研究表明，对冷冻技术应该客观评价，其实际效果并没有想象中的那么明显。与传统的湿磨技术相比，冷冻技术既有优势，也有局限性。优势主要表现在剔除碎屑钾长石效果略微偏好和实测年龄数值相对偏小方面；局限性主要表现在解离效果变化较大，部分砂岩相对较好，部分砂岩则相对较差。从表2中可以看出，在本次实验研究的28块砂岩样品中，有半数样品的解离时间在1～3个月之间(30～59 d)，表明速度相对较快、时间适中，具有一定的可行性，而另外半数样品的解离时间则长达3个月(99 d)以上，特别是塔里木志留系砂岩部分样品经过长达近3年(扣除节假日，840 d)的连续冷冻处理，解离程度也只有50%～75%，说明速度非常慢，将会严重限制该项技术的推广与应用。甚至可以认为，对于这一类样品，即便是解离时间再长，可能也不能够完全解离。因此，可以认为，对于坚硬程度中等，也即压实、成岩、硅化程度中等的中浅层或中深层砂岩，冷冻技术效果较好，具有较好的应用前景，而对于坚硬程度较高，也即压实、成岩、硅化程度较强或非常强的深层或超深层砂岩，冷冻技术效果较差，可能不宜采用。近期，冷冻技术的发明者Claure和Liewig[11]也认为，“该项技术具有一个很大缺陷，即对硅化较强的砂岩，解离速度非常慢，因而非常费时，可能需要长达6个月以上”。

湿磨是传统黏土分离过程中制备黏土悬浮液时的常用技术[12-13]。为了避免过度研磨，即把钾长石等碎屑含钾矿物研磨至黏土粒级，尽管普遍认为，研磨过程中应该轻、缓、柔，但就笔者所知，到目前为止，尚没有对此开展系统研究，更缺乏实验数据支持。冷冻技术的发明，为这种对比研究创造了先决条件。本次系统对比实验研究表明，湿磨技术，可能会导致碎屑钾长石过度研磨绝非空穴来风，研磨过程中一定要轻、缓、柔，并且研磨程度一定要适中。同时，本次系统对比实验研究也表明，过度研磨问题远非通常所认为的那么严重，对年龄数据的影响一般较少或非常少，只要掌握好这种辩证关系并且使用得当，湿磨仍不失为制备黏土悬浮液的行之有效的实用技术，既具有较强的生命力，也具有较好的应用前景。

[1] Liewig N,Clauer N,Sommer F.Rb-Sr and K-Ar dating of clay diagenesis in Jurassic sandstone oil reservoir,North Sea[J]. AAPG Bulletin,1987,71(12):1467-1474.

[2] Zwingmann H,Claure N,Graupp R.Timing of fluid flow in sandstone reservoir of the north German Rotliegend (Permian) by K-Ar dating of related hydrothermal illite[M]//Parnell J.Dating and duration of fluid-flow and fluid-rock interaction：Special Publicatios 144. London: Geological Society,1998:91-106.

[3] Zwingmann H,Claure N,Gaupp R.Structure-ralated geochemical (REE) and isotopic (K-Ar,Rb-Sr,δ18O) characteristics of clay minerals from Rotliegend sandstone reservoirs (Permian,northern Germany)[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1999,63(18):2805-2823.

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(编辑 徐文明)

Experimental investigation on sandstone sample disaggregation using a repetitive freezing and thawing technique

Zhang Youyu1,2,3, Horst Zwingmann4, Liu Keyu1,2,3,4, Tao Shizhen1, Luo Xiuquan1

(1.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China; 2.CNPCKeyLaboratoryofBasinStructureandHydrocarbonAccumulation,Beijing100083,China; 3.StateKeyLaboratoryofEOR,Beijing100083,China; 4.CommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization,EarthScienceandResourceEngineering,P.O.Box1130,Bentley,WA6102,Australia)

A repetitive freezing and thawing disaggregation technique, simplified as freezing technique, is des-cribed. The freezing technique is a new method for preparing clay suspension during the separation and enrichment of authigenic illites from reservoir sandstones. The disaggregating effects and the controlling factors have been investigated in detail using typical sandstone samples, and compared with a wet grinding technique, as a conventional disintegration method. Comparing with the wet grinding technique, the freezing technique has advantages and disadvantages. The freezing technique is more effective to avoid detrital potassium feldspar contamination. The obtained authigenic illite K-Ar ages are more reliable as void of detrital contamination. Sample disintegration time is mainly related to porosity and permeability and long disintegration timeframes can be a disadvantage for well cemented sandstone samples. The buried depth of the sandstone samples is the main controlling factor, as well as the shale content and organic content comprising coal seams or residual oil films or bitumen coatings. The experimental results show that the freezing technique can be used to disaggregate less consolidated or medium cemented sandstones mainly related to variable shallow to medium depths ranges. For well cemented and deeply buried sandstones with low porosity and permeability ranges, the method is less suited as long disintegration timeframes of several months or years are required. The experimental results also show that the wet grinding is still a practical and effective technique for preparing clay suspension, with the advantages of easy-operation, celerity and better effects, and has very bright application futures.

repetitive freezing and thawing technique; wet grinding technique; clay suspension preparation; authigenic illite separation; K-Ar dating; hydrocarbon accumulation history

1001-6112(2014)06-0752-10

10.11781/sysydz201406752

2014-05-04；

2014-09-10。

张有瑜(1955—)，男，教授级高级工程师，从事稀有气体同位素质谱分析、K-Ar测年、Ar-Ar测年和储层黏土矿物研究。E-mail: ngms@petrochina.com.cn。

中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目“油气勘探新领域、新理论、新方法、新技术”(2011A-0207)资助。

TE15

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