專利名稱：巖芯樣品的定量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地層樣品的定量分析領(lǐng)域，尤其涉及石油和天然氣勘查或生產(chǎn)過(guò)程中一般得到的地層樣品的定量分析。鉆探石油和天然氣井時(shí)，一般是在井中從感興趣的不同深度獲取地層樣品，在工業(yè)上一般將這種樣品稱為芯樣。對(duì)芯樣進(jìn)行大量試驗(yàn)和分析以便努力盡可能多地了解有關(guān)區(qū)域中地質(zhì)形成的構(gòu)造和特征。
涉及芯樣的重要內(nèi)容之一是地質(zhì)學(xué)家最關(guān)注的樣品的礦物含量。了解了礦物含量就能為分類和研究有關(guān)地層的特征提供有價(jià)值的資料。因此，地質(zhì)學(xué)家不僅要了解存在的特定礦物，而且了解其數(shù)量或它們的比例是很重要的。
過(guò)去，芯樣的定量分析是一種費(fèi)時(shí)且費(fèi)錢的方法。工業(yè)上使用的最普通的技術(shù)是X-射線衍射分析(XRD)。由經(jīng)過(guò)高級(jí)訓(xùn)練的人員完成XRD時(shí)大部分都能得到滿意的結(jié)果。但是，該方法費(fèi)時(shí)，需要幾小時(shí)至幾天才能完成，而且相應(yīng)地也很費(fèi)錢。因而石油和石油氣工業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)就需要有一個(gè)能定量確定芯樣礦物組分的快速廉價(jià)方法。而本發(fā)明則滿足了這長(zhǎng)期提出的要求。
本發(fā)明公開了一種方法，該方法可將付利葉-轉(zhuǎn)換(Fourier-transform)紅外光譜用于取得芯樣的定量礦物分析。按照本方法的步驟準(zhǔn)備巖芯物料的試樣并測(cè)定試樣的紅外線響應(yīng)。將該響應(yīng)與已知礦物的響應(yīng)做對(duì)比以確定樣品中每種礦物的數(shù)量。
盡管本發(fā)明不限于此，但本發(fā)明主要是指從有關(guān)石油和天然氣探測(cè)和生產(chǎn)的地層中得到的芯樣分析。這種樣品是從地下的鉆孔中取得的，還可以從石油或天然氣生成物中或從尚未生產(chǎn)油或氣的鉆井中取得。根據(jù)采用的取樣技術(shù)，巖芯材料的直徑可為3英寸而長(zhǎng)度多半為幾英尺。只要樣品到達(dá)表面就頻繁地從較大樣品中取出較小樣品，常常把這種較小樣品稱為“芯塞”(Plugs)。這些芯塞一般直徑約為1吋或更小長(zhǎng)度為1.5-2.0吋。其它樣品可從鉆孔的側(cè)壁取得，這些樣品的尺寸類似于上述芯塞的尺寸。本文描述的分析技術(shù)也可以用于鉆井巖屑，即由鉆井得到的尾砂。一般不將這種巖屑作為巖芯樣品，但為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，所用“芯樣”除習(xí)慣上所提巖芯外還包括側(cè)壁芯樣和鉆井巖屑這兩種。
部分待分析的芯樣經(jīng)過(guò)凈化除去可能存在的任何烴類物質(zhì)。可以采用諸如甲苯溶劑萃取或CO2凈化之類的各種巖芯凈化方法。這些凈化方法是先有技術(shù)中周知的，不必在此贅述。
下一步驟是減小樣品的粒度直到樣品的顆粒成為均勻的細(xì)粒。這可以用能得到所需粒度的任何研磨方法完成，從而得到平均粒度小于1微米，而且沒(méi)有大于2微米的顆粒。我們已發(fā)現(xiàn)這是小粒度對(duì)獲得精確結(jié)果來(lái)說(shuō)是必不可少的。如果顆粒太大，例如大于10微米，就會(huì)發(fā)生各種散射和衍射效應(yīng)，這極可能導(dǎo)致樣譜中出現(xiàn)寬峰?？梢允褂锰厥獾某绦蛟O(shè)計(jì)過(guò)濾技術(shù)校正這種寬峰，但可通過(guò)使用合適粒度的樣品來(lái)避免出現(xiàn)這種問(wèn)題。我們優(yōu)先選用研缽和搗錘研碎幾克樣品直到最大的顆粒小于500微米。當(dāng)原狀樣品是松散的，例如某些焦油砂樣，就可不要這預(yù)碎工序。然后將約1克研磨過(guò)的料放入5毫升的異丙醇中并在瑪
研磨器(例如，由英國(guó)倫敦Mccron聯(lián)合研究有限公司制造的Mccrone Micronising研磨器)中研磨，研磨約15-25分鐘，最好是20分鐘。流體除了所以采用異丙醇外還可用水，但最好是異丙醇。它的粘度有助于以后的物料緊貼住瑪 滾子以便更好地研磨，而其揮發(fā)性則能使它從研磨之后的物料中排出的時(shí)間縮短。
在完成樣品研磨時(shí)，將液體注入表面玻璃皿并在通風(fēng)柜中干燥直到液態(tài)載體全部蒸發(fā)掉。將少量的干燥樣品，最好是1-3克左右，放入約有1克溴化鉀的小容器中。然后攪拌或振蕩小容器以保證未完成樣料和KBr的混合。雖然我們發(fā)現(xiàn)牙科混汞器適合于得到所希望的混合，但還是建議用耐磨損金屬構(gòu)成的小容器代替往往備有這種混汞裝置的塑料小容器。使用塑料容器會(huì)導(dǎo)致樣品沾污和影響最后結(jié)果。
根據(jù)使用的多光光度計(jì)的靈敏度來(lái)選樣樣品和KBr的配比。最終樣品或樣塊根據(jù)樣塊中樣品物料對(duì)KBr的濃度而具有不同的吸收度透射率值。最好樣片歸入約0.3-2.0個(gè)最大吸收度單位范圍內(nèi)，此處1個(gè)吸收度單位等于10%透射率，而2個(gè)吸收度單位等于1%透射率，即吸收度單位等于log10(100/t)，t是透射率的百分?jǐn)?shù)。
混合之后，我們先將裝有混合物的容器置于65℃左右的干燥箱中以便除去物料中的殘余水份。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的濕度及類似的條件，這個(gè)特定的步驟可以不要，不過(guò)在某些情況下它卻能改進(jìn)整個(gè)結(jié)果。
稱出約200毫克經(jīng)過(guò)混合和干燥的物料并放入為制備紅外線光譜測(cè)定樣品所通用的樣片制備裝置中。我們優(yōu)先選用由威斯康星州MenomineeFallsofIncFredS.Carver制造的壓制機(jī)，它是專門用于制備紅外線分光計(jì)的樣片或樣塊。壓制機(jī)將樣料置于模中在高壓下制出一種類似圓盤的粘結(jié)薄片，一般最好是塊，其大小應(yīng)適合于所用的分析儀器。壓制機(jī)裝有帶氣體色譜分部收集器的KBr模，可以從康涅狄格州Stamtord，Spectro-TeKCO，買到，該設(shè)備生產(chǎn)直徑為13毫米的塊。將樣塊裝入帶有傳利葉轉(zhuǎn)換能力的紅外分光計(jì)，諸如傳利葉轉(zhuǎn)換分光計(jì)(ETIR)上，分光計(jì)是由康涅狄格州，NorwalkPerkin-ElmerCompang制造。該分光計(jì)以它通常的方式操作，它包括將約8毫米寬聚集的定向紅外束通過(guò)樣塊，俘獲所產(chǎn)生的合成能譜，該能譜是在有關(guān)的一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)由樣品吸收的透射的紅外能量來(lái)確定。
我們建議收集約5000波數(shù)至約400波數(shù)，即約2-5微米范圍內(nèi)的專門數(shù)據(jù)。該儀器根據(jù)每一個(gè)感興趣波長(zhǎng)的樣塊的透射率百分率給出數(shù)字輸出，100%的透射率是指純的KBr樣塊。在特定波長(zhǎng)時(shí)小于100%的透射百分率表明樣塊在這些波長(zhǎng)中已吸收能量。在能量被吸收時(shí)的準(zhǔn)確波長(zhǎng)由物料決定，而物料則可由其自身的光譜圖來(lái)鑒別。特定波長(zhǎng)下的信號(hào)幅度或強(qiáng)度顯示出數(shù)量。
分光光度計(jì)產(chǎn)生一種數(shù)字化信號(hào)，該信號(hào)是通過(guò)接到數(shù)字計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)得到，這種計(jì)算機(jī)可以是微機(jī)，一般最好的是小型計(jì)算機(jī)(PC)。
預(yù)期在這類試驗(yàn)中遇到的純礦物樣品首先要進(jìn)行試驗(yàn)以便確立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。每種純物質(zhì)的特征光譜存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的記憶系統(tǒng)中。然后計(jì)算機(jī)在它的記憶系統(tǒng)中比較未知物料和已知物料的波數(shù)光譜和幅度，并由這種對(duì)比產(chǎn)生未知芯樣物料的定性和定量結(jié)構(gòu)的直接讀數(shù)。
為使本發(fā)明方法能產(chǎn)生精確的定量分析結(jié)果，必須極為精確地比較未知試樣光譜和存儲(chǔ)在記憶系統(tǒng)的純組成物料的光譜。當(dāng)針對(duì)更復(fù)雜的混合物進(jìn)行分析時(shí)，這種要求尤其重要。也就是說(shuō)，當(dāng)只有一種或兩種組成物質(zhì)存在時(shí)，特定的波型或光譜對(duì)照技術(shù)可能就足夠了，但這種技術(shù)是不夠精確的，比如說(shuō)在相同的試樣中有4-6種更多種的物質(zhì)時(shí)。鑒于這個(gè)原因和其它原因，該領(lǐng)域的工作人員普遍認(rèn)為紅外光譜測(cè)法一般不能得到正確的定量分析結(jié)果。
我們發(fā)展了用于流程的計(jì)算機(jī)程序以克服原有技術(shù)的限制。用這些程序我們首先用每隔5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的三次多項(xiàng)式使取得的光譜曲線平滑化。然后程序在二十一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的寬度上詢問(wèn)平滑化的曲線，在通過(guò)5000波數(shù)至400波數(shù)范圍的時(shí)間內(nèi)進(jìn)位一個(gè)波數(shù)。譜帶形狀、位置和強(qiáng)度通過(guò)對(duì)確定該曲線多項(xiàng)式的四階、五階和六階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行比較來(lái)測(cè)定。我們已發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)可以得到本方法所必需的精確度以便自始至經(jīng)地得出正確的定量分析結(jié)果。
本發(fā)明的效果通過(guò)參考以下實(shí)例作進(jìn)一步說(shuō)明。在每個(gè)實(shí)例中，芯樣是在實(shí)驗(yàn)室中制備以便知道試樣的定量結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)本發(fā)明分析試樣并將該試樣與已知試樣的組織進(jìn)行比較。
實(shí)例1將以下物料按所示重量百分比混合制備待試驗(yàn)的試樣。
礦物成分重量分?jǐn)?shù)石英石63.6方解石15.2白云石15.7粘土礦物5.5
將5克的上述試樣放在研缽中并用搗錘粉碎直到最大顆粒直徑小于0.5毫米。將1克物料放在其中添加約5毫升導(dǎo)丙醇的McCroneMicronising粉碎機(jī)中。物料被研磨約20分鐘，這足以使平均粒度降為小于1微米且沒(méi)有大于2微米的顆粒。制得的樣液注入表玻璃并置于通風(fēng)柜約20分鐘，在這段時(shí)間內(nèi)樣品干燥并成為粉末。然后將1.67毫克粉末放入加有約1克KBr的金屬容器中并在牙科混汞器中振蕩1分鐘。將容器置于65℃的爐中約10分鐘。然后將容器中的200.5毫克試料放入壓塊機(jī)中加壓制成13毫米的薄片。將該片放在Perkin-Elmer型1720FTIR分光光度計(jì)中，該分光光度計(jì)連接在一臺(tái)其記憶系統(tǒng)中存儲(chǔ)有特征純光譜的數(shù)字計(jì)算機(jī)上。數(shù)字計(jì)算機(jī)顯示出觀測(cè)已制備的單一樣塊的分析結(jié)果如下礦物成分重量百分率石英石67.0方解石14.0白云石16.0粘土礦物3實(shí)例2按實(shí)例1方法制備已知試樣，但其礦物結(jié)構(gòu)示于下表。然后用上述相同方法制備供分析用的試樣，只是1.56毫克的試樣與1.015克KBr混合，并用201.2毫克的混合物制備13毫米的樣塊。得到的結(jié)果如下
重量百分率礦物組成實(shí)際觀測(cè)到的石英石13.413.0斜長(zhǎng)石49.951.0微斜長(zhǎng)石15.217.0方解石15.712.0粘土礦物5.57.0實(shí)例3按實(shí)例1的方法制備已知試樣，但其礦物結(jié)構(gòu)示于下表。然后用上述相同方法制備供分析用的試樣，只是1.73毫克試樣與1.01克KBr混合，并用201.8毫克的混合物制備出13毫米的樣塊。得到的結(jié)果如下重量百分率礦物組成實(shí)際觀測(cè)例的石英石14.614.0微斜長(zhǎng)石26.627.0硬石膏34.836.0粘土礦物24.022.0實(shí)例4按實(shí)例1的方法制備已知試樣，但其礦物結(jié)構(gòu)示于下表。然后用上述相同方法制備供分析的試樣，只是采用1.72毫克的試樣和1.028克KBr混合并用200.8毫克的所得混合物制備出13毫米的樣塊。得到的結(jié)果如下重量百分率礦物組成實(shí)際觀測(cè)到的石英石18.718.0斜長(zhǎng)石21.425.0微斜長(zhǎng)石0.01.0方解石23.320.0白云石32.533.0粘土礦物4.13.0由此可見(jiàn)，用本發(fā)明方法獲得的結(jié)果在每種情況下，按已知試樣的重量，二者相差都在百分之幾之內(nèi)，并且每種情況下得到的精確度適合于石油和天然氣領(lǐng)域所要求的地質(zhì)學(xué)和巖石學(xué)分析。每種情況中所要求的總時(shí)間，包括試樣制備在內(nèi)，被限制在1小時(shí)左右。
在相當(dāng)詳細(xì)地描述了以上方法中的各步驟時(shí)，應(yīng)該理解這樣做是為了說(shuō)明目的及完善性，而不是想以任何方式來(lái)限制本發(fā)明范圍，本發(fā)明由附上的權(quán)利要求來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種確定選定區(qū)域中的鉆孔地層礦物組成的方法，該方法包括以下步驟(a)從所述選定區(qū)域獲取鉆孔的芯樣，(b)凈化所述芯樣以除去烴類物質(zhì)，(c)至少研磨部分所述芯樣使其粒度小于2微米，(d)將所述磨碎試樣部分和一種載體進(jìn)行混合并將該混合物壓制成薄片，(e)將所述薄片放入付利葉轉(zhuǎn)換(Fouriertran-sform)紅外分光光度計(jì)中承受紅外能以得到試樣的光譜響應(yīng)，(f)在一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)中將所述試樣與已知標(biāo)準(zhǔn)礦物的光譜響應(yīng)進(jìn)行比較從而確定所述芯樣的定量礦物組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中，所述芯樣的所述部分被研磨至平均粒度小于約1微米且沒(méi)有大于2微米的顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述之方法，其中，所述的研磨是在裝有異丙醇的機(jī)械研磨機(jī)中進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述之方法，該方法還包括在研磨之后將所述經(jīng)研磨的試樣部分進(jìn)行干燥以除去所述異丙醇的干燥工序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中所述研磨過(guò)的試樣部分與所述載體混合，其混合比按重量計(jì)為1～3份研磨過(guò)的試樣部分;1000份載體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中所述載體是溴化鉀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，該方法包括將所述經(jīng)研磨的試樣部分和所述載體的混合物在該混合物被壓成薄片之前加以干燥的附加工序。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中所述之干燥是在溫度約65℃的爐中完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中獲得所述試樣光譜響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為2～25微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其中(f)步驟包括使光譜響應(yīng)平滑化并在5000波數(shù)-400波數(shù)范圍內(nèi)詢問(wèn)平滑化了的響應(yīng)以確定光譜峰值的波數(shù)位置和幅度。
11.一種確定從地層鉆孔中取得的芯樣之礦物組成的方法，其中所述試樣被凈化以除去夾帶的烴類物質(zhì)，所述方法包括以下步驟(a)粗磨所述之試樣直至沒(méi)有大于0.5毫米的粒子殘留其中，(b)進(jìn)一步研磨經(jīng)粗磨的試樣直至平均粒度小于1.0微米并且沒(méi)有大于2.0微米的顆粒。(c)干燥所述經(jīng)研磨的試樣，(d)將1～3份所述經(jīng)研磨的試樣和1000份溴化鉀進(jìn)行混合，(e)將200毫克由(d)步驟獲得的混合物壓制成比較薄的薄片，(f)將所述薄片在付利葉轉(zhuǎn)換(Fourier trans-form)紅外分光光度計(jì)中承受紅外能并觀測(cè)5000波數(shù)～400波數(shù)區(qū)域內(nèi)所得合成光譜響應(yīng)，(g)在數(shù)字計(jì)算機(jī)中對(duì)照觀測(cè)到的光譜響應(yīng)和已知標(biāo)準(zhǔn)礦物的光譜響應(yīng)以確定所述芯樣的定量礦物組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述之方法，該方法包括在進(jìn)行(e)步驟之前在65℃左右干燥約10分鐘(d)步驟所得之混合物的附加步驟。
13.一種由地層鉆孔中取得試樣的礦物定量分析方法，該方法包括(a)凈化所述試樣以除去烴類物質(zhì)，(b)研磨所述試樣將其平均粒徑減小到小于1微米并且沒(méi)有大于2微米的顆粒，(c)干燥所述研磨過(guò)的試樣，(d)將某一所述試樣的量與某一溴化鉀的量混合，(e)加熱(d)步驟所得到的混合物使水分蒸發(fā)掉，(f)至少將所述混合物的一部分壓制成薄片，(g)在傅利葉紅外分光光度計(jì)中檢驗(yàn)所述薄片，(h)在5000-400波數(shù)范圍內(nèi)收集所述樣塊的紅外響應(yīng)，(i)在數(shù)字計(jì)算機(jī)中對(duì)照(h)步驟中收集的響應(yīng)和純標(biāo)準(zhǔn)礦物的已知響應(yīng)以確定所述試樣的定量礦物組成。
全文摘要
本文公開從石油和天然氣井取出之芯樣的礦物定量分析的一種方法，該方法包括研磨試樣使其粒度極小以及用諸如KBr之類的載體試樣混合以形成樣塊的步驟。用傅利葉轉(zhuǎn)換(Fourier traustorm)紅外分光光度計(jì)觀測(cè)該樣塊，并在數(shù)字計(jì)算機(jī)中將所得光譜與已知標(biāo)準(zhǔn)礦物的光譜進(jìn)行比較從而作出物料的定量分析。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1034270SQ88107598
公開日1989年7月26日 申請(qǐng)日期1988年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月6日
發(fā)明者大衛(wèi)·L·弗里曼, 馬克·G·羅克利, 唐納德·G·哈維樂(lè) 申請(qǐng)人:西方國(guó)際阿特拉斯公司, 微林提克有限公司