渤海深部岩石全岩和粘土定量分析的实验研究

付传红，崔金锋，王金乐，张代明，刘凯泉，董志滟

(山东科瑞石油装备有限公司, 山东 东营 257000)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越多。如今，我国面临着前所未有的能源短缺，特别是石油资源的对外依存度将增加到50%以上。解决石油资源的匮乏问题已经成为我国经济发展之必需，而海洋油气资源的勘探和开发为经济的发展注入了新的活力[1-3]，但深海底部复杂的岩石又为油气资源的勘探、开采带来了巨大的障碍。为了高效率地破坏海洋底部岩石以及探测、开采油气资源，必须对岩石的矿物成分和粘土成分有深入的了解。

为了加快渤海地区油气资源的勘探与开采，该领域的相关专家和学者对其进行了大量的研究。王威等[4-5]通过系统精确地解剖渤海某油田油气藏及内部结构，揭示油气分布规律，建立储层三维空间定量分析模型，为该油田整体开发方案的设计与优化提供了基础；徐守余等[6-8]通过研究渤海湾盆地不同级序的构造体系、砂岩储层岩石学特征，为加快渤海地区油气资源的开采提供科学依据;徐杰等[9]则研究了渤海地区地质构造格局对油气成藏的影响。但这些方法并没有很好地解决渤海地区油气资源勘探、开采所面临的问题。

本文通过X射线衍射法对从渤海地区采取的5个岩样进行全岩矿物成分和粘土矿物成分的定量分析，得到了5种岩石试样在不同井号、井深、岩性下的矿物成分百分含量以及粘土中所含矿物相对含量，在矿物百分含量分析的基础上展开对同一井号不同岩性、深度的粘土矿物相对含量分析，将分析结果进行统计和曲线的拟合，然后进行现场的应用，验证了定量分析实验研究的准确性和合理性。该实验研究可为加快渤海深海地区油气资源的勘探和开采提供借鉴。

1 实 验

1.1 岩石样品的处理

实验样品来自某钻井公司在渤海深海采取的天然高纯度岩样。针对不同井号在不同井深处采取的岩石进行筛选，尽量选用更典型、纯度更好的岩性并对其进行样品编号，如表1所示。样品照片如图1所示。

表1 岩石成分实验样品

图1 岩石样品图片Fig.1 Pictures of rock samples

1.2 实验装置与方法

实验在西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室进行。测试设备主要采用X’Pert PRO X射线衍射仪，如图2所示。设备采用了帕纳科公司新推出的超能阵列探测器，该探测器采用实时多道(RTMS)技术，内置100多个微型探测器，可同时对多种信号进行接收，精确度和自动化程度极高。X’Pert PRO X射线衍射仪采用了多种后处理软件并与计算机连接，界面非常地友好和清晰。测试采用SY/T 5163—2010[10]所述分析方法进行分析，测试在室内进行，温度为25～30 ℃，相对湿度小于等于70%。

2 实验结果及分析

2.1 全岩矿物成分的定量分析

在石油、矿藏的勘探开发过程中，如何方便、快速、高效地检测出岩石中各种矿物成分的含量对岩性分析、钻头的选用、钻井方式以及矿物储量、含油量和油性的分析有重要的意义，因此，对岩石的矿物成分含量进行分析显得十分重要。本实验针对所采用的两组井号取自不同深度、不同岩性的5个样品进行矿物百分含量的实验，并将测试所得数据进行筛选、统计，将部分数据进行曲线拟合。拟合结果如表2所示，实验结果如图3和图4所示(注：本文所得所有图形和拟合曲线仅适用于井深2 780 m以下岩性)。对于1号井，井深2 786 m处为浅灰色粉砂岩，井深2 787 m处为灰色泥岩，井深2 930.4 m处为灰色灰岩。对于2号井，井深4 044.6 m处为灰色安山岩，井深4 045.4 m处为泥岩。

表2 1号井全岩不同矿物成分曲线拟合结果

图3 1号井不同岩性在不同深度的矿物百分比含量Fig.3 Minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No. 1 well

图4 2号井不同岩性在不同深度的矿物百分比含量Fig.4 Minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No.2 well

从以上图表分析可知：1号井在不同深度的岩性是不同的，样品1中的粘土总量最多，达到43.51%，其次为样品2，并且随着井深的增加粘土含量在不断降低。石英的含量在样品3中最多，该岩性质地坚硬，不利于石油钻探，因此，在钻探该地层时应尽量选用抗研磨、抗冲击的孕镶钻头进行钻探。样品2中不含正长石，正长石含量随着深度的增加而降低。方解石含量却随着深度的增加而增加，实验样品中仅样品2中含有方解石，且方解石的含量在整个矿物的百分比含量中最多，达到58.13%，是粘土含量的30多倍；在样品2中，仅含有方解石和粘土两种矿物，而方解石的莫式硬度比较低，使得样品2至软，用PDC钻头就能够较好地完成钻探任务。白云石、菱铁矿、黄铁矿在整个矿物成分中所占的比重很少，并且总体上都随井深的增加而呈下降的趋势，但这些矿物元素对岩石的形成发挥了不可替代的作用。

2号井仅取了两个样本进行试验，深度相差不到1 m，但岩性却明显不同，在各类矿物百分比含量中仍然是粘土总量所占比重最大，而且样品4的粘土总量要远大于样品5的粘土总量，约为其1.8倍。样品4中不含石英，但样品5中石英的含量与粘土总量十分接近，约为38.67%，在整个矿物百分含量中如此多的石英含量使得该地层在石油钻探中必须应用耐磨的孕镶钻头才能提高机械钻速，减低钻井成本。样品4和样品5中斜长石的含量差别不大，样品4中为8.81%，而样品5中为10.75%，斜长石的硬度为6～6.52，岩性比较脆，在石油钻探中要注意钻头的选用和参数的设定。方解石的莫式硬度为3，在矿物百分含量中占的比重较低，并且在两种岩性中含量差别也不大；同样，菱铁矿、黄铁矿在矿物百分含量中所占的比重也较低。

2.2 粘土矿物成分的定量分析

粘土作为一种重要的矿物原料，在石油钻探和开发油气矿床中以及在第二次回收中都起着重要的作用。而高质量的钻井泥浆正是利用了粘土中的蒙脱石、绿泥石等重要矿物元素所制成的，这些矿物元素具有很好的抗电介质凝结效应的性能。在石油钻井过程，如果能够加强对所钻地层中各种岩性、所含粘土矿物的结晶化学结构以及其矿物元素的研究，就能够按照真实的现存地层条件配制不同介质成分的钻井泥浆，从而能够控制吸附离子交换的物理过程和钻探地层的其他现象，并且能够防止井壁垮塌之类事故的发生[11-13]，因此，加强对岩石的粘土矿物成分的定量分析对于石油的勘探和开采尤其重要。

在对岩石的全岩定量分析中发现，样品4和样品5在同一井中取得，并且样品之间的深度差距很小，使得两者之间的粘土矿物成分差别不大，所以，本文在进行粘土矿物成分的定量分析时仅对1号井中的3个样品进行分析。测试结果如图5所示。将测试结果进行曲线拟合，拟合结果如表3所示，为理论模型的建立提供一定的参考。

图5 1号井不同岩性在不同深度的粘土矿物相对含量图Fig.5 Map of clay minerals’ percentage content of different lithology at different depths for the No.1 well

表3 1号井粘土不同矿物成分曲线拟合结果

根据图5和表3 分析可知：在1号井中，不同岩性、深度的岩石所含的粘土矿物成分是相同的，都含有伊利石、伊/蒙、高岭石，都不含蒙脱石和绿泥石。样品1中所含伊利石最少，相对含量为20.35%，随着井深的增加伊利石含量也在不断增加。伊利石又称为水白云母，是最常见的一种粘土矿物，常由白云母、钾长石风化而成，因此，伊利石相对含量的多少对粘土的形成起着至关重要的作用。1号井的前3个样品中都含有伊蒙混合物和高岭石，样品1中高岭石的含量最多，达54.65%，而样品3中的伊蒙混合物含量最多，为26.27%。在粘土矿物相对含量分析中，样品1～3的胶结物主要由伊蒙混合物和大量的高岭石组成，这种储集岩非常，有利于油气资源的生成。样品中粘土胶结物的矿物成分决定着石油的产量，所以，在注水时，所注水的盐度以及泥浆液的选择必须根据岩石胶结物中粘土矿物成分的种类而确定[13-16]。

由于样品数量的限制，并考虑到所选参数的多少对曲线拟合的影响，表3中仅对1号井中的粘土不同矿物成分的相对含量进行了曲线拟合。从拟合的相关性来看，只有伊/蒙的拟合精确度最高，相关系数为0.974 3。

3 现场应用

对应实验分析结果，进行现场应用。首先，利用X射线衍射法对从1号井中井深为2 790.4 m处取得的浅灰色粉砂岩进行全岩和粘土矿物成分分析，对从2号井中井深为4 045 m处取得的泥岩进行全岩矿物成分分析。其次，根据以上得到的曲线拟合函数以及图表分别对2 790.4 m和4 045 m处的浅灰色粉砂岩、泥岩进行全岩、粘土矿物成分含量的拟合公式计算。最后，将实验测试结果与拟合公式计算结果进行对比分析，如表4和表5所示。结果发现，从井深为2 790.4 m和4 045 m处取得的浅灰色粉砂岩、泥岩进行的X射线衍射全岩和粘土矿物成分的定量试验分析结果与根据曲线拟合函数和图表得出的数值求解结果基本吻合，误差在5%以内，验证了分析的准确性与合理性。

表4 井深为2 790.4 m时测试值与计算值对比

表5 井深为4 045 m时测试值与计算值对比

4 结 语

对5个样品进行了全岩矿物百分含量的定量分析。每种岩性所含有的矿物百分含量是不同的，但所有样品的全岩矿物成分中都不含方沸石。灰色安山岩中含有的粘土总量最多，灰色泥岩中含有大量的石英，白云石、菱铁矿和黄铁矿在整个矿物成分中所占的比重是很少的，并且总体上都随井深的增加而呈下降的趋势，但是这些矿物成分对岩石的形成起到了不可替代的作用。

对5个样品进行了粘土矿物相对含量的定量分析。每种岩性的粘土矿物相对含量是不同的，但所有样品的间层比是一样的，都是20%。伊利石、伊/蒙、高岭石在5个样品中含量分布相对比较平衡并且都较多，而这些矿物元素对油气资源的生成具有重要的作用，是配制高质量钻井液所必用的元素。

通过对部分全岩矿物百分含量以及粘土矿物相对含量的曲线拟合可知，全岩矿物百分含量的曲线拟合精确度和准确性要明显高于粘土矿物相对含量的曲线拟合。通过对全岩矿物百分含量以及粘土矿物相对含量的定量分析，为石油资源的勘探、钻头的选用以及参数的设定、钻井液的配制和选用等提供了参考，为提高钻井效率、机械钻速、防止井壁的垮塌提供了借鉴。

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