沉積學(xué)粒度分析方法在石油地質(zhì)中應(yīng)用

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摘要：粒度分析方法在發(fā)展改進(jìn)的過(guò)程中由于受到各種因素影響，部分研究方法仍存在誤差，未能精確的對(duì)粒度進(jìn)行分析。本文對(duì)粒度分析方法相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，并對(duì)部分粒度分析方法進(jìn)行對(duì)比分析，一些分析方法雖然具有簡(jiǎn)單易操作、耗時(shí)短，精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處。篩析法和圖像法在實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中差異明顯，圖像法、激光法在分析過(guò)程中忽略了粉砂及黏土等更小的成分。因此在選擇粒度分析方法時(shí)可以根據(jù)不同的粒度范圍、成分、實(shí)驗(yàn)效果等來(lái)選擇分析方法，綜合考慮實(shí)驗(yàn)本身所適用的研究范圍等影響因素，以求更精確地對(duì)粒度進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：粒度分析方法；沉積學(xué)；篩析法；圖像法；激光法

粒度是指碎屑顆粒的絕對(duì)大小，是碎屑顆粒最主要的結(jié)構(gòu)特征，是搬運(yùn)營(yíng)力能力和效率的度量標(biāo)志之一。為尋求精確的粒度分析方法，前人已研究出多種粒度分析方法，袁紅旗等、蔣明麗等對(duì)粒度分析的發(fā)展歷程、粒度標(biāo)準(zhǔn)、常用的幾種粒度分析方法、以及對(duì)每一種粒度分析方法的適用范圍、測(cè)定原理以及其存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述，認(rèn)為未來(lái)粒度分析方法仍將是多種分析技術(shù)并存，多種方法共用的狀況。冉敬等、陳秀法等采用激光粒度分析法與薄片圖像法、篩析法進(jìn)行對(duì)比等進(jìn)行對(duì)比，幾種方法峰度相關(guān)性較好，但會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差和局限性。金秉福通過(guò)分析偏度系數(shù)和比較不同粒度分析方法，認(rèn)為粒度分析中的偏度系數(shù)對(duì)區(qū)分不同搬運(yùn)動(dòng)力和不同沉積環(huán)境下的沉積物具有重要影響。袁瑞等提出一種基于巖石薄片圖像空間自相關(guān)系數(shù)的粒度分析新方法，結(jié)果與實(shí)際值較接近，仍不是很精確。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到各種因素的影響，不同的粒度分析方法有各種不用的適用范圍及缺點(diǎn)，不同分析方法會(huì)產(chǎn)生不同誤差。本文通過(guò)對(duì)粒度分析方法相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧，對(duì)部分粒度分析方法進(jìn)行對(duì)比分析并指出它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為更精確地分析粒度提供參考依據(jù)。

一、發(fā)展歷程

粒度分析的方法追溯起源，最早是由國(guó)外學(xué)者Stokes提出的，后經(jīng)發(fā)展在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用，其發(fā)展歷程主要優(yōu)3個(gè)發(fā)展階段：早期階段（20世紀(jì)30年代以前）為奠基階段，內(nèi)容廣泛，側(cè)重定性研究，缺少定量研究；中期階段（20世紀(jì)30年代—20世紀(jì)年代）為蓬勃發(fā)展時(shí)期，理論和方法方面得到發(fā)展，粒度分析研究的深度和廣度得到擴(kuò)展；當(dāng)前階段（20世紀(jì)年代至今）為全面、綜合研究的新階段，該階段開(kāi)始側(cè)重改進(jìn)粒度數(shù)據(jù)的表征和應(yīng)用方法，解決數(shù)據(jù)處理和理論研究等方面出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)與革新。

二、應(yīng)用范圍粒度分析研究

內(nèi)容很多，如沉積物及沉積巖分類(lèi)；沉積作用的流體力學(xué)性質(zhì)；巖石沉積環(huán)境的劃分；碎屑物質(zhì)運(yùn)輸方式的判定；沉積巖形成時(shí)水動(dòng)力條件的確定；儲(chǔ)層物性的影響因素；確定斷層錯(cuò)動(dòng)強(qiáng)度；火成巖中礦物結(jié)晶顆粒形成時(shí)溫度、壓力和深度的判別；對(duì)古氣候和沉積物源的研究；確定古火山位置、研究火山噴發(fā)機(jī)制；確定海洋沉積物的沉積物物源和輸運(yùn)路徑。現(xiàn)階段沉積物粒度分析已經(jīng)囊括到第四紀(jì)環(huán)境研究與地層劃分等更多方面。

三、粒度分析結(jié)果的表現(xiàn)形式

粒度分析是測(cè)定沉積物組分的顆粒大小和各粒級(jí)的分布狀況，計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)、編制圖件的一種沉積學(xué)方法。在參考自然粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、十進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)、值粒度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用兩種方法:一種是繪制頻率曲線(xiàn)或概率累計(jì)曲線(xiàn)圖示說(shuō)明；另一種是統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各粒度參數(shù)解釋沉積作用；采用兩種方法來(lái)區(qū)分沉積環(huán)境、物源環(huán)境等。

四、粒度分析方法及對(duì)比

可用于顆粒物粒度分析的方法很多，如直接測(cè)量法、篩析法、沉降法（動(dòng)態(tài)沉降法和靜態(tài)沉降法）、場(chǎng)干擾法（光學(xué)法和電學(xué)法）、圖像法、X射線(xiàn)衰減法等，其中石油、地質(zhì)行業(yè)中礫石采用直接測(cè)量，砂級(jí)采用篩析法，粉砂及黏土采用沉降法、流水法、液體比重計(jì)等。在多種粒度分析方法中，場(chǎng)干擾法中的激光法粒度分析是最先進(jìn)的分析方法，具有分析速度快、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但由于理論程序不同，使得其代表性不強(qiáng)，取樣也會(huì)直接影響結(jié)果；其他的粒度分析方法也有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，比如：直接測(cè)量法簡(jiǎn)單但是只適用于可直接測(cè)量的大粒徑顆粒；篩析法簡(jiǎn)單易操作，但是受粒徑大小影響，孔篩容易堵塞；沉降法挫折簡(jiǎn)單，但樣品處理費(fèi)時(shí)，效率低，樣品粒級(jí)范圍不好掌控；場(chǎng)干擾法中的電學(xué)法精度高，但在測(cè)量不同粒徑顆粒是易發(fā)生栓塞；圖像法分為多種分析方法，速度快、精度高、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣，但受一些因素影響如次生改造嚴(yán)重的巖石、“切面效應(yīng)”等，使其精確度降低（如表1）?，F(xiàn)階段，圖像法仍在改進(jìn)中，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、單一到多樣化。前人采用Word軟件，Photoshop圖形軟件，AdobePho‐toshop定量分析軟件，ImageJ圖像軟件，美國(guó)德州大學(xué)開(kāi)發(fā)的UTH-SCSA圖形工具軟件、圖像處理軟件NIHImage、顯微信息系統(tǒng)（MIS）、圖像信息系統(tǒng)（GIS）和自行設(shè)計(jì)程序等圖像處理方法對(duì)不同的粒度進(jìn)行分析。如季長(zhǎng)軍等使用ImageJ圖像軟件對(duì)青藏高原烏麗地區(qū)的純石英砂巖進(jìn)行粒度分析研究；操應(yīng)長(zhǎng)等在關(guān)于礫巖巖心顆粒結(jié)構(gòu)中提出新的關(guān)于薄片圖像粒度分析方法，將薄片圖像法與其他方法相結(jié)合來(lái)進(jìn)行礫巖粒度分析；至今為止圖像法仍有很大的發(fā)展空間。受一些因素影響，目前只有篩析法和圖像法在應(yīng)用廣泛，但不同學(xué)者提出的關(guān)于篩析法和圖像法的使用很多方面還是有不同之處，篩析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要進(jìn)行粒度記錄、粒度組分分級(jí)，在實(shí)驗(yàn)完成后根據(jù)相關(guān)數(shù)值繪成各類(lèi)直方圖和曲線(xiàn)圖，確定中值、平均粒徑等粒度參數(shù)值；在篩析法和圖像法進(jìn)行對(duì)比，兩種方法在實(shí)驗(yàn)類(lèi)型、誤差、精確度等方面也有很大差距；然而簡(jiǎn)單的圖像處理方法只需要對(duì)圖片進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，再進(jìn)行閾值分割和粒度信息統(tǒng)計(jì)，更復(fù)雜一點(diǎn)的還需要在閾值分割的時(shí)候去除毛刺、孤立點(diǎn)和銳化角，弱化狹窄的部分，人工處理顆粒上的空洞，剔除無(wú)效顆粒，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；另外，圖像法在粒度統(tǒng)計(jì)的過(guò)程中還會(huì)受到不同計(jì)數(shù)法的影響。在研究中對(duì)于圖像法、激光法是否忽略粉砂及黏土這些更小的成分，圖像法統(tǒng)計(jì)的是不同粒徑區(qū)間顆粒物的面積百分比，而激光法統(tǒng)計(jì)的是質(zhì)量百分比；另一方面，圖像法忽略了粒徑小于7Φ的粉砂及黏土，這可能從根本上造成測(cè)定的平均粒徑偏粗。不同的圖像法研究的粒度范圍也各不同，比如：載片法適于松散或弱膠結(jié)的含礫粗砂粒級(jí)到細(xì)砂粒級(jí)樣品；照片法中薄片的粒度測(cè)量范圍在0.05-2mm之間且個(gè)別測(cè)量可達(dá)礫石級(jí)以上；揭片法適于粗粒的砂質(zhì)巖、細(xì)礫巖和碳酸鹽巖的研究；圖像分析儀法的研究范圍可達(dá)0.5-3000.0μm；圖像分割法適用范圍廣，松散的細(xì)砂粒級(jí)以上的沉積物和固結(jié)的粗砂粒級(jí)以下的巖石。因此以上幾種方法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還是有可能忽略一些更細(xì)的成分。如果忽略不計(jì)這些更小的成分，圖像法也可視為一種先進(jìn)的粒度分析方法。

五、結(jié)論

粒度分析的發(fā)展、方法、研究?jī)?nèi)容等成果在地質(zhì)、油田生產(chǎn)勘探中得到廣泛應(yīng)用，為地質(zhì)基礎(chǔ)研究、油田儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。粒度分析在發(fā)展中也受到一些阻礙，一些粒度分析方法雖然有簡(jiǎn)單易操作、耗時(shí)都短、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多不足。一是由于各種實(shí)驗(yàn)方式不同，導(dǎo)致分析過(guò)程復(fù)雜化，實(shí)驗(yàn)效果具有明顯差異，大多數(shù)的分析方法在不斷改進(jìn)，精確度也不斷提高，由于不同的樣品會(huì)影響分析過(guò)程和分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便程度不同，導(dǎo)致粒度分析的精確度總是受限，比如篩析法和圖像法整個(gè)分析過(guò)程完全不同，最后的分析效果也就不同。二是圖像法、激光法在分析粒度過(guò)程中還會(huì)忽略粉砂及黏土這些更小的成分，在進(jìn)行粒度分析時(shí)可以根據(jù)不同的粒度范圍、成分、實(shí)驗(yàn)效果來(lái)選擇分析方法，比如粒徑很粗可直接測(cè)量法；粒徑中等，大小均一，成分單一，無(wú)粉砂及黏土這些更小的成分，可以選擇篩析法和場(chǎng)干擾；粒徑小，成分更復(fù)雜，可以選擇圖像法。三是不同作者對(duì)不同的分析方法持有不同的態(tài)度，應(yīng)該綜合考慮粒度分析中導(dǎo)致所存在的因素，結(jié)合使用不同的分析來(lái)解決不同粒度分析方法所帶來(lái)的結(jié)果偏差，更好地進(jìn)行粒度分析。

作者:鄭燕 李維鋒 單位:長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院