粘土矿物分析

作为岩石组分的粘土矿物其含量、种类及其分布、产状等对地层伤害有着非常密切的关系。由于粘土矿物颗粒细小（0.01mm），比表面极大，并具有特殊的结构组成，因此它们对外来作业流体如注入水、压裂液、酸化液、压井液等的侵入极为敏感。当与外来流体接触时，粘土矿物往往会发生膨胀、微粒运移、生成某种沉淀等从而堵塞储层油气流动的孔隙通道，造成储层渗流能力的下降，损害油气层。因此了解粘土矿物的性质对油田开发十分重要。通过X射线衍射分析和扫描电子显微镜技术可以确定岩石中粘土矿物的含量、分布及产状等。选取了西泉5井的部分岩石样品进行了上述测定，测定结果见表1。表1西泉5井区三叠系储层粘土矿物含量统计表层位粘土矿物含量(%)样蒙皂石伊蒙混层伊利石高岭石绿泥石绿蒙混层品SI/SIKCC/S数韭菜园子组范围63～9820～992～161～121～5533～5329平均值87.872.766.245.749.3344.2烧房沟组范围69～9729～941～101～581～2829～98106平均值92.366.283.997.73.6烧房沟组范围76～8624～732～223～493～1829～9917平均值81.145.98.8820.410.3根据X衍射和扫描电镜分析，韭菜园子组砂层以蒙皂石（包括蒙脱石和皂石两个亚族）为主，63％～98％，平均87.8％；其次为伊/蒙混层（20％～99％，平均72.76％），绿泥石（1％～55％，平均9.33％），另有高岭石（1％～12％，平均5.74％）和伊利石（2％～16％，平均6.24％）（见表1）。对韭菜园子组敏感性的简单分析：（供参考）韭菜园子组伊/蒙混层和绿/蒙混层含量较多，伊/蒙混层和绿/蒙混层是遇水易膨胀的矿物，易发生粘土膨胀和分散造成地层伤害。韭菜园子组绿泥石含量相对较高（平均9.33％），绿泥石是酸敏性矿物，酸化时易造成氢氧化铁胶体沉淀（酸敏）。另外伊利石和高岭石是速敏性矿物，易造成颗粒运移堵塞地层。粘土矿物分析在储层潜在敏感性评价中的应用一、粘土矿物类型粘土矿物(clayminerals)是粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石。除水铝英石外均属层状或层链状结构硅酸盐，因此粘土矿物可按层状结构硅酸盐矿物的分类来划分。粘土矿物按成因可分为他生粘土矿物和自生粘土矿物两类，他生粘土矿物主要是来自沉积物源区的陆源矿物，矿物成分与母源区岩石类型关系密切；自生粘土矿物为储层在特定成岩阶段化学反应析出的矿物，如自生绿泥石、自生高岭石等。不同成因粘土矿物通常具有不同的矿物组合、产状、晶形和分布规律等特征。粘土矿物的粒度细小，其大小和形态需用电子显微镜才能测定。多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状，结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。少数粘土矿物呈管状（埃洛石）或纤维状（坡缕石和海泡石）。晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。①离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+，常见的交换性阴离子是(SO4)2-、CI-、(PO4)3-、(NO3)-。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。②粘土-水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去，但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水，经低温（100～150℃）加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。③粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。此外，粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝，或者层间水分子的失去，都使折光率与双折射率增大。粘土矿物的形成方式有三种：①与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时间等因素决定了矿物种和保存与否。②热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。③由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。高岭土主要用作陶瓷原料、造纸的填料和涂层；主要由蒙脱石构成的膨润土用于作钻井泥浆、精炼石油的催化剂和漂白剂、铁矿球团的粘结剂和铸形砂粘合剂；凹凸棒石粘土和海泡石粘土是制造抗盐泥浆的优质原料、油脂的脱色剂和吸收剂。下面我们介绍一下常见的几种粘土矿物：1、蒙脱石铝硅酸盐矿物，常呈现蜂窝状、丝絮状等，比面很大，有很强的吸水膨胀率，遇矿化度低的淡水等发生膨胀，体积可增大30倍以上，堵塞孔隙和吼道，影响渗透率，是对储层伤害最大的水敏性黏土矿物。2、伊利石铝硅酸盐矿物，呈叶片状、丝发状等贴附于颗粒表面或充填于粒间孔隙内。片状等微晶把孔隙分割成许多小孔隙，增加了迂回度；丝发状的容易被水冲移，堵塞孔隙和吼道，降低孔隙度和渗透率。3、高岭石硅铝酸盐矿物，是长石的蚀变产物，呈书页状、蠕虫状、手风琴状，多以孔隙充填的形式存在于粒间孔隙。其晶间结构比较松，在流体的冲刷下容易随流体移动，堵塞、分割孔隙和吼道，尤其在细小吼道中，影响很大，是重要的速敏矿物。4、绿泥石铝硅酸盐矿物，常与自生石英共生，呈针叶状、绒球状、玫瑰花状，在孔隙中的产状有孔隙衬垫及孔隙充填。一般针叶状绿泥石多为孔隙衬垫包于颗粒表面，绒球状和玫瑰花状的则充填在孔隙中。绿泥石可由黑云母、角闪石、蒙脱石等矿物转化而来，自生绿泥石一般富含高价铁离子，与钻井液中的HCL等酸液作用容易产生沉淀，而造成储层伤害，是酸敏性矿物。5、伊蒙混层蒙脱石向伊利石过渡的矿物，呈蜂窝状、半蜂窝状、棉絮状等，随埋深加大和温压的升高而含量增多，有较强的水敏性。6、绿蒙混层是蒙脱石向绿泥石转化中的产物，呈薄片状体包于颗粒表面或充填于颗粒间，既有绿泥石的针叶状结构，也有蒙脱石的网格状结构。成分中也有绿泥石特征，含有较多的铁和镁，有一定的酸敏和水敏性。二、粘土矿物分析储层敏感性矿物分析，特别是粘土矿物组分分析对储层敏感性研究具有很重要的作用。1、粘土矿物分析鉴定中存在的问题（1）样品选取样品一定要具有代表性和真实性。代表性就是根据研究目标的需要，从层位、深度、岩性变化等方面选取有代表性的样品。并要注意合理的取样密度，一般情况下，岩性变化大时取样间隔要小，反之要大。如果研究储集层，还要选取油、气、水、干层中的样品。真实性就是要选取研究目标所需要的真实样品。由于粘土矿物对周围环境具有敏感性，因此不取受到外来流体影响的样品。例如取岩心砂岩样品，注意避开岩心壁，因为它常受到钻井过程中泥浆的影响。如果是取岩屑样品，一定要挑样，防止上部掉块。而且，砂岩不能用岩屑，因为砂岩的渗透性受泥浆影响大；取泥岩岩屑时，如果岩屑是细粉，也不能用，因为细粉既有上部掉下来的部分，又有泥浆等杂质的混入。（2）分析前处理许多分析项目（如X射线衍射、差热分析、红外光谱、化学分析、透射电镜、穆斯堡尔谱等）都必须对岩样进行前处理，即进行粘土分离。（3）分析鉴定由于粘土矿物是岩石中最细粒部分（多小于2μm），同时，每种分析方法往往有局限性，因此应采用多种方法分析结果进行综合鉴定。X射线衍射分析该方法是粘土矿物分析中最有效的方法，它既可定性，又可定量。局限性是不能分析矿物形态和产状，另外，有些矿物（如高岭石和迪开石）也难以区分。电镜、能谱分析在X射线衍射分析基础上，选择一部分样品（有代表性的矿物组合）进行电镜和能谱分析。扫描电镜可分辨矿物的形态和产状；能谱可测定每种矿物的化学成分。透射电镜只测定矿物的形态（包括泥岩、砂岩等）。差热和红外光谱分析定向样品的X射线衍射谱图不能区分高岭石和迪开石，非定向样品（压片）的X射线衍射谱图虽可区分这两种矿物，但也较复杂，样品用量也较多，且一般不做压片分析。而差热分析和红外光谱分析用样量少，且易区分这两种矿物，高岭石差热分析的中温吸热谷比迪开石低100℃左右。该两种矿物是高岭石亚族中两个不同的种，二者形成条件有很大区别。不难看出，取样、前处理和分析鉴定，是粘土矿物分析研究最重要的基础工作，必须认真对待。这对我们在油田开发过程中研究储层潜在敏感性具有很重要的意义。三、储层敏感性试验分析1、水敏试验注入水和黏土矿物接触，使得黏土矿物膨胀、分散和运移，堵塞孔隙、吼道，降低渗透率。储层中水敏矿物主要是蒙脱石，其膨胀性和层间阳离子种类有关，Na-蒙脱石的膨胀性大于Ca-蒙脱石和K-蒙脱石。水敏试验应在模拟地层的温压条件下，且水流速低于临界流速，排除速敏的干扰。实验用地层水、次地层水(蒸馏水稀释一倍后的地层水)和蒸馏水作为驱替介质进行实验，应参考试验结果对注入水的矿化度进行控制，应高于能使黏土矿物明显发生反应的临界矿化度值，避免水敏反应。2、速敏试验储层中的微粒，注入水中的杂质和黏土矿物颗粒随注入水移动，堵塞吼道，降低渗透率。在采用模拟地层水以消除其它影响的实验中，流速超过某值时，渗透率急剧下降，该流速称为临界流速。高岭石、丝状伊利石和绿泥石等的碎片，都可以随注入水而移动，造成储层渗透率下降。试验为实际开发过程提供比较可靠的采出和注入速度，尤其是在注水开发过程中确定单井的合理注水速度。3、酸敏试验将酸液（常用盐酸和乙酸等）和滴入岩心样品，酸液会和绿泥石、浊沸石等发生反应而产生沉淀，部分碳酸盐矿物也可以和酸液反应生成沉淀物，使得渗透率下降。根据实验结果结果可以为酸化时提供合适的酸液配方，选择合适的酸液体系。4、碱敏试验硅酸盐矿物(长石类、沸石类矿物)和氧化硅矿物(石英、蛋白石)等，若在强碱性(PH12)介质中黏土矿物可产生新的硅酸盐沉淀物和硅凝胶体堵塞孔喉。通过碱敏感性评价实验可以了解油层岩石与不同pH值盐水接触作用下岩石渗透率的变化过程，找出碱敏感性损害发生的条件(临界pH值)以及由碱敏感性引起的油层损害程度，为各种入井工作液PH值的确定提供依据。5、盐敏实验盐敏感性是指储层在系列盐溶液中，由于黏土矿物会发生水化和阳离子交换使黏土层间距加大，产生分散、运移、膨胀而导致储层渗透率下降的现象。实验所用介质为不同矿化度的水样，每更换一次矿化度，应先用该矿化度的溶液驱替10～15倍孔隙体积以上，驱替后，浸泡24h以上，再用该矿化度盐水驱替，稳定后测其渗透率。其结果作为作业时所用的注入水、泥浆等矿化度的参考值。四、粘土矿物分析在研究储层潜在敏感性中的应用1、A油田三叠系砂岩储层中，I、Ⅱ油组以高岭石为主，为20％-60％，Ⅲ油组增加为40％-50％。但高岭石往往局部集中，成斑块状分布，甚至有的样品粘土矿物集中分布于数个孔隙中，因此速敏性程度弱。伊／蒙混层矿物I、Ⅱ油组为5％-15％，Ⅲ组为10％左右，故水敏性中偏弱。绿泥石I、Ⅱ油组为12％-48％，Ⅲ油组为20％-40％，含量较高，故存在酸敏性损害。且土酸与粘土矿物产生硅沉淀，因此酸敏程度为中等偏强。三叠系储层临界盐度为2.5×104mg／L，且含有少量伊／蒙混层矿物，故盐敏程度为中等偏弱。三叠系储层地层水矿化度为12.0×104-16.0×104mg／L，且为caCl2型水，ca2+：0.553×lO4-1.32×104mg／L、Mg2+：500-900mg／L，离子含量普遍较高，产层与高pH值流体接触将会导致钙、镁沉淀，产生碱敏性损害，故碱敏程度中等。2、西峰油田长8储层精细研究表明，以孔隙衬垫形式存在的绿泥石含量与自生石英胶结物含量存在消长关系，当砂粒表面自生绿泥石包膜厚度大于3um时，能有效抑制石英和长石的再生长，当自生绿泥石包膜厚度很薄或缺失时，石英和长石再生长严重，压溶嵌合、再生长