页岩岩石学测试技术解析

常规油气储层岩石学实验项目主要包括薄片鉴定、扫描电镜、XRD 及全岩分析、元素分析、粒度分析、比表面积、数字岩心等。 利用岩石薄片鉴定可以对岩石的矿物成分进行定性分析,对岩石结构特征进行描述,并简单分析岩石成因;利用岩矿成分分析、黏土矿物分析、扫描电镜分析等技术,可进行岩石定名、岩矿组成分析、元素分析、矿物定量定性分析,进而对储层的成因、孔隙结构、吸附能力等进行研究和评价。 与常规油气储层相比,细粒泥页岩的成分和结构决定了其储集空间和储集物性的特殊性。 页岩岩矿组成是页岩储层评价的重要组成部分。 同时,岩矿组成也能为钻井、完井和压裂提供分析资料。

目前,美国三大实验室(Intertek 实验室、Weatherford 实验室和Chesapeak 实验室)的页岩岩石学实验测试项目有较为成熟的研究,并形成了一系列的研究体系。 综合三大实验室关于页岩气的实验项目测试,其通用的页岩气岩石学特征测试项目是通过CT 扫描、SEM、薄片鉴定和X 衍射实验分析页岩的层理产状、孔隙结构和岩石矿物组成。 由于我国页岩气勘探开发尚处于起步阶段,已有的岩石学测试技术主要基于常规储层岩石。 目前,已有一些单位引进国外先进的岩石学测试设备,如中石油勘探开发研究院廊坊分院、华北石油勘探开发研究院、重庆地质矿产研究院、中国石油大学(北京)等,能够针对细粒泥页岩进行分析。 我国的页岩气勘探开发,需要在国内外页岩岩石学测试技术现状基础之上改进低孔低渗透储层岩石学测试技术,使其满足特低孔极低渗页岩岩石学测试要求,为页岩气勘探开发提供技术支撑。

1)岩石定名

(1)薄片鉴定

基本原理:岩石薄片鉴定通常以偏光显微镜为手段,利用矿物的光性特征,确定岩石的组成、结构、构造等矿物及岩石学参数。

薄片鉴定技术可在显微镜下直观观察岩石成分,确定岩石矿物基本组成,操作简单、高效,满足页岩岩石定名需要。

制样:注意偏光薄片加水磨制时黏土矿物易被水洗去,根据研究需要泥页岩制片,一般采用偏光、铸体制片,引用标准SY/T 5913—2004 岩石制片方法。

图2.4　Olympus BX51-P 偏光显微镜

设备1:Olympus(BX51-P) 偏光显微镜。 (图2.4)生产商:日本奥林巴斯公司。 放大倍数:目镜放大10 倍、物镜放大100 倍。 优点:UIS2 光学系统大幅度提高了光学显微镜性能,无论使用者在各种放大倍率下观察,或是在光路中插入像检偏器、全波片或者补偿板这些偏光部件,都能得到清晰的图像;操作简便、观察清晰的显微镜机体;支持更高效的偏振光观察的载物台;偏光特性的升级;鲜明的正像镜影像和锥光镜影像;使用数码照相机可以记录保存数码图像。

设备2:BD-200 系列金相显微镜。 (图2.5)生产商:中国博视达光学。 放大倍数:目镜放大10 倍,物镜放大倍数可根据要求选配。 优点:采用平场消色差光学系统和落射式柯拉照明系统,同时在落射照明系统中设计防反射结构,可有效防止反射光干扰成像光线,从而使成像更清晰、视场衬度更好;提供稳定可靠的操作机构,使成像更清晰、操作更简便;显微镜镜体采用全新的人机工程学设计,结构匀称,实现镜体扩展积木化;工作台、光强与粗微调的低位操作,提高了使用的舒适性。

行业标准:主要操作方法及流程参考行业标准SY/T 5368—2000。

(2)X 射线荧光分析技术(XRF)

基本原理:X 射线荧光分析是一种对被测物质从元素成分及含量的角度进行测定的技术,以随钻获取的岩屑粉末为分析对象,采用特征X 射线(X 荧光),从而获取元素组成(组分、含量及分布规律)信息,通过元素组合特征辨识岩性、划分地层,进一步开展深层次的数据分析处理,寻找与储层物性、含油气性相关规律,实现储层评价之目的。

图2.5　BD-200 系列金相显微镜

设备:MESA-50X 射线荧光分析仪。 生产商:日本HORIBA 公司。 优点:为客户提供友好的操作界面和优异的使用性能;硅漂移检测器大幅度减少了测量时间,在高通量的同时提供了更高的灵敏度;便携式、体积小、质量小;减少日常维护工作(无肌液氮);操作简单,不需真空泵,各种材料测量直观简单;中英文操作软件;Excel 数据管理工具。

2)矿物组成分析

(1)X 射线衍射全岩及黏土矿物分析技术(XRD)

基本原理:岩石类型、矿物组成及结构特征是影响页岩储层岩石力学性质的重要因素。XRD 分析就是基于不同的黏土矿物具有不同的晶体构造,利用了黏土矿物具有层状结构的特征以及X 射线的衍射原理,根据衍射峰值计算出晶面间距,判断出矿物类型,并半定量地推断出样品中各种黏土矿物的百分含量。 定量分析是X 射线衍射技术的重要应用,几十年来发展的方法很多。

图2.6　MESA-50 X 射线荧光分析仪

图2.7　德国D8 型X 射线衍射仪

设备:X 射线衍射仪。 X 射线衍射仪最常用的厂家是德国布鲁克、荷兰帕纳科、日本理学。

设备1:D8 型X 射线衍射仪。 生产商:德国布鲁克。 优点:设计精密、硬件、软件功能齐全,能够精确地对金属和非金属多晶粉末样品进行物相检索分析、物相定量分析、晶胞参数计算和固溶体分析、晶粒度及结晶度分析等。 测量范围:2 ~30 keV;能量分辨率:E ≥279 eV。

设备2:X' Pert PRO 多功能X 射线衍射仪。 生产商:荷兰帕纳科。 优点:由于采用DOPS 直接光学编码器,由直流马达驱动,完全消除机械误差,精度与稳定性大大提高。 测量范围:能够实现纳米材料的粒度测定。

图2.8　X' Pert Pro 多功能X 射线衍射仪

图2.9　D/MAX2500 X 射线粉末衍射仪

设备3:D/MAX2500 X 射线衍射仪。 生产商:日本理学。 优点:聚焦法光学系统和平行光束法光学系统可轻松切换,不需要重新设置即可自由选择;具备“柔性光学系统”的立式、卧式、水平测角仪。 操作方便的封闭靶及大功率X 射线旋转阳极X 射线发生器,通过自由组合各种附件,适合多种样品的各种测试。

行业标准:《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》SY/T 5163-2010。

(2)阴极发光显微镜技术

阴极发光显微镜技术是在普通显微镜技术基础上发展起来用于研究岩石矿物组分特征的一种快速简便的分析手段。

基本原理:阴极发光仪电子束轰击到样品上,激发样品中发光物质产生荧光,又称阴极发光。 该方法能够快速、准确判别石英碎屑的成因和方解石胶结物的生长组构,鉴定自生长石和自生石英,描述胶结过程等。

设备:阴极发光仪。

设备1:CL8200 MK5 型阴极发光仪。 生产商:英国CAMBRIDGE IMAGE TECHNOLOGY LTD(CITL)。 优点:显示面板新增了控制信息,并且可以根据房间的照明条件进行自动亮度补偿。 考虑到更换样品时切断束流电压并保证真空泵同时运行,节省了换样时间。 另外,还设计了与计算机连接的扩展卡,便于将来仪器的软件升级。

设备2:RELIOTRON 阴极发光仪。 生产商:美国RELION INDUSTRIES 公司。 优点:产品设计在射束高压、射束电流、操作中的真空度等做了较好稳定性控制,并在其他方面也有突出之处,例如缩小工作距离,x、y 坐标可同时改变,双手同时操作来移动样本;一直延续冷阴极水平式电子束输出技术,以保证低温矿物(像包裹体)及晶体等阴极发光的观测;产品开发还考虑到更换样品时切断束流电压,节约了换样时间。 为观测不同样品,RELION INDUSTRIES 设计了多种样品承载器;为缩小工作距离,为用户设计了Reentrant Window 观察窗,方便不同使用需求的用户。

图2.10　CL8200 MK5 型阴极发光仪

图2.11　RELIOTRON 阴极发光仪

(3)QEMSCAN 矿物分析

QEMSCAN(Quantitative Evaluation of Minerals by scanning electron microscopy),即扫描电镜矿物定量评价。 这种检测方法能够对矿物、岩石进行定量分析。

基本原理:QEMSCAN 通过沿预先设定的光栅扫描模式用加速的高能电子束对样品表面进行扫描,并得出矿物集合体嵌布特征的彩图。 仪器能够发出X 射线能谱并在每个测量点上提供出元素含量的信息。 通过背散射电子(BSE,backscattered electron)图像灰度与X射线的强度相结合能够得出元素的含量,并转化为矿物相。

制样:样品的制备要求包括粒级、干燥的样品表面,表面导电涂层(如镀碳)。 样品的测试条件必须是稳定的高真空度环境下,15 ~25 kV 的电子束。 通常情况下,需要将待测岩屑、矿石、土壤制作成直径为30 mm 的树脂浸渍块,或者光薄片。 诸如大气粉尘之类非常微小的颗粒,须在碳带或者滤纸上进行检测。

图2.12　Quanta 200 扫描电子显微镜

设备:QEMSCAN 已于2009 年成为FEI 公司的注册商标。 整套系统包括一台带样品室(Specimen Chamber)的扫描电镜(Electron Scanning Microscope),四部X 射线能谱分析仪(EDS),以及一套能够自动获取并分析处理数据的专用软件(iDiscover)。

3) 页岩储层微观结构特征观测与分析

(1)扫描电镜技术(SEM)

基本原理:为适应不同要求,在扫描电镜上安装上多种专用附件,实现一机多用,使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜(TEM)、电子探针X 射线显微分析仪(EPMA)、电子衍射仪(ED)等多种功能的一种直观、快速、综合的表面分析仪器。(www.xing528.com)

表2.9　页岩储层矿物成分鉴定方法

制样:扫描电镜对样品无特殊要求,岩心、岩屑、地面手标本、单矿物颗粒、化石等固体样品均可进行分析,样品的大小根据各型号扫描电镜样品的尺寸而定。

设备:扫描电镜仪。

设备1:Quanta 200 扫描电子显微镜。 生产商:荷兰FEI 公司。 优点:具有环境扫描电镜技术,可在高真空、低真空和环境真空条件下对各种样品进行观察和分析;先进的系统结构平台,全数字化系统,可同时安装能谱仪、波谱仪和EBSP 系统;可安装低温冷台、加热台、拉伸台等进行样品的动态观察和分析,并可完成实时动态记录。

图2.13　蔡司EVO MA 15 扫描电子显微镜

设备2:蔡司EVO MA 15 扫描电子显微镜。生产商:德国蔡司公司。 优点:提供了先进的图像和分析方案。 它用一个机动化的5 轴平台和大的XYZ 轴跟踪扫描,以可变的压力容量作标准,软件操作方便,可提供完美的视觉图像。EVO MA15 分析型扫描电镜可以用来分析泥页岩的微观空隙、裂缝特征、矿物成分。

设备3:蔡司环境扫描电子显微镜(ESEM)。生产商:德国蔡司公司。 优点:可以直接对含水含油样品在环境状态和低真空下进行分析,能最大限度地反映样品的原始状态,尤其是对储层酸、水、速、碱、盐及温度敏感性试验样品,利用环境扫描电镜分析储层样品敏感性试验前后的变化,分析储层样品黏土矿物的变化,胶结物及储层格架的变化,孔隙及喉道的变化,确定储层敏感性发生的类型和程度,并采取预防措施。

图2.14　蔡司环境扫描电子显微镜(ESEM)

行业标准:石油行业标准《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》SY/T 5162—2014。

(2)氩离子抛光分析技术

基本原理:页岩结构致密,孔隙微小,自然断面样品表面粗糙,还常常有脱落的碎屑覆盖,很难观察到纳米级孔隙(尤其是小于100 nm 的孔隙),及其孔隙大小、形状、分布特征等。 可以用氩离子抛光的方法对预磨好的样品表面进行处理,这样可以除去样品表面凹凸不平的部分及附着物,得到一个较光滑的平面。 背散射电子成像方式的特点是利用原子序数衬度成像,原子序数越高,亮度越大。 金属矿物(如黄铁矿)在背散射电子像里亮度最高,有机质亮度最低,而页岩里的主要成分黏土矿物、石英、方解石和白云石等则亮度适中。

设备:氩离子抛光仪(离子减薄仪)。

设备1:Gatan 氩离子抛光仪。 生产商:美国Gatan 公司。 优点:相较于传统的抛光设备,氩离子抛光仪没有应力,对样品几乎没有任何损伤。 同时,磨抛掉的物质立即被真空抽走,不会像传统抛光那样堵塞孔隙;Gatan 氩离子抛光仪在页岩气行业主要用来对含有微纳米级别孔隙样品、软硬不同材质样品的样品进行精密制样,从而解决机械研磨抛光会堵塞孔隙、软硬材质相互污染、样品在研磨过程中产生的应力损伤等问题;通过液氮冷台,可以去除热效应对样品造成的破坏,从而从根本上解决热效应的问题。

图2.15　Gatan 氩离子抛光仪

设备2:SC-1000 型SEM 氩离子抛光仪。 生产商:欧洲Technoorg 公司。 优点:扫描电镜专用剖面离子抛光仪,采用离子束斜坡切割法制备各种优质的固体材料横截面平面样品,用于SEM 成像观察及显微分析;也可通过对样品进行温和抛光和清洁处理,用于电子背散射衍射(EBSD)研究以及取向分布成像显微分析(OIM)的样品制备。 SC-1000 广泛应用于石油地质(煤、页岩等)、半导体、材料研究领域的SEM 样品制备,可克服机械抛光研磨的缺点,以确保获得样品的真实形貌。

(3)铸体薄片技术

图2.16　SC-1000 型SEM 氩离子抛光仪

基本原理:将染色树脂或液态胶(国际上通用为蓝色,我国使用颜色多有蓝色、红色,也有绿色及黄色)在真空下灌注到岩石的孔隙空间中,在一定的温度和压力下使树脂或液态胶固结,然后磨制成岩石薄片,进而在偏光显微镜下观察孔隙、喉道及其相互连通、配合的二维空间结构等。

制样:样品需经抽涤洗油,不得含油;样品尺寸为Φ25 mm×5 mm(柱塞样)或25 mm×25 mm×5 mm(非柱塞样),送交的样品不少于两块。

如果要研究储层孔隙结构特征,必须结合压汞法,则铸体样品最好与压汞样品选在同一部位(即选取同一柱塞样)。

设备:偏光显微镜。

(4)压汞法分析技术

基本原理:岩石的孔隙结构极其复杂,可以看作一系列相互连通的毛细管网络。 汞不润湿岩石孔隙,在外加压力作用下,汞克服毛管力,可进入岩石孔隙。 随压力增加,汞依次由大到小进入岩石孔隙,岩心中的汞饱和度不断增加。 注入压力与岩心中汞饱和度的关系曲线即为毛管力曲线。

(5)常规(高压)压汞+氮气吸附分析技术

利用常规高压压汞方法得到的喉道分布频率反映的是某一级别喉道所控制的孔隙体积,不能区分出泥页岩微孔和中孔的分布情况,把两种孔径累加在一起计算分布。 因此,对微孔和中孔的分析很粗略,只能反映出微孔和中孔总体分布情况。 氮气吸附法(胡荣泽,1982)将烘干脱气处理后的样品置于液氮中,调节不同试验压力,分别测出对氮气的吸附量,绘出吸附和脱附等温线。 根据滞后环的形状确定孔的形状,按不同的孔模型计算孔分布、孔容积和比表面积。

引进氮气吸附法相结合的方法,能够对泥页岩的孔径分布进行从微孔到大孔的全面描述:

①常规(高压)压汞法受其测试原理的限制,在高压测试时,不能区分出泥页岩微孔和中孔的分布情况,把两种孔径累加在一起计算分布。 因此,对微孔和中孔的分析很粗略,只能反映出微孔和中孔总体分布情况。 而氮气吸附法根据等温吸附—脱附曲线形态确定孔径类型,针对不同的孔径模型和不同孔径大小具有不同的计算原理,能分别对微孔和中孔进行详细描述。

②泥页岩孔隙主要由微孔和中孔组成,但也存在部分大孔。 氮气吸附法测试时受样品大小和孔隙分布不均一性的限制,可能忽视大孔的存在。 压汞法受样品大小的影响相对较小,能够测试出泥页岩的大孔分布情况。

③氮气吸附法在泥页岩微孔和中孔分析方面有优势,压汞法在大孔分析方面具有优势。

设备:AutoPore W9520 全自动压汞仪,仪器孔径测量范围为3 nm~1 000 μm,进汞和退汞的体积精度小于0.1 μL。 样品制成岩心柱后经过24 h 的干燥处理,实验最高进汞压力达到200 MPa。

QUADRASORBSI 型比表面积和孔隙度分析仪,由美国Quantachrome 公司生产,仪器孔径测量范围为0.35 ~400 nm。

(6)恒速压汞技术

恒速压汞技术采用高精度泵,以极低的恒定速度(通常为0.000 05 mL/min)向岩样喉道及孔隙内进汞,从而保证进汞过程在准静态下进行。 假定在进汞过程中,界面张力和接触角保持不变,随着汞进入喉道,毛细管系统压力逐渐升高。 在汞突破喉道限制进入孔隙的瞬间,汞在孔隙空间内以极快的速度发生重新分布,压力得以释放,此时整个系统压力回落。 因孔隙半径与喉道半径存在数量级的差别,通过检测进汞压力的波动就可以将孔隙与喉道区分开来,实现对喉道和孔隙数量与大小的精确测量。

设备:ASPE-730 恒速压汞仪(图2.17)。

图2.17　ASPE-730 恒速压汞仪

(7)数字岩心技术

基本原理:根据岩石微观结构信息重建反映岩石真实微观孔隙空间的三维数字岩心(孙建孟等,2012)。 数字岩心技术研究采用数字化方法(包括图像、离散数据、连续数据等)完整描述岩心,从不同侧面以不同方式描述岩石的多维数据体,使其具有相对完整的岩石物理信息,以便快速复现岩石的各种物理特性;用岩心数据库技术建立各种数据之间的内在联系,根据需要实现特定物理量的快速提取和预测。

制样:建立数字岩心的方法主要有切片组合法、X 射线立体成像法以及基于图像的数值重建法等。

切片组合法需要大量时间制作岩心切片且破坏样品,极少使用。

X 射线立体成像法是最准确的方法,需要借助X 射线微观成像仪,仪器价格也十分昂贵,较少被采用。

基于图像的数值重建法则需要极少量岩石切片的X 光扫描图像(或铸体薄片),经济方便,使用较多。

设备:纳米/微米X 射线层析CT 成像的数字岩心分析设备。

图2.18　Ultra XRML200 纳米CT

数字岩心技术研究领域,国外起步比较早,已经建立了3 个数字岩石物理实验室,主要有澳大利亚国立大学的Digital core Laboratory、斯坦福大学的Ingrain Digital Rock Physics Lab以及挪威的Numerical Rocks。 在国内,中国石油大学(华东)等单位进行了系统全面的研究,在某些方面已经达到或超过了国外的研究水平,其他一些科研机构也正在进入这一领域。