油气中常量元素分析检测方案(能散型XRF)

2 3 赛默飞Niton XL3t系列XRF分析仪在油气上游勘探和生产(E&P) 中的应用 引言 全球范围内对页岩气的勘探促进了北美和欧洲的天然气生产。页岩气又称致密地层天然气是一种存在于渗透性非常低的岩石中、需要水力压裂开采的天然气，含有大量的硅(Si)。最近的研究将对氧化还原敏感的痕量金属元素(钒(V)、 (Cr)、铀 (U)、钍(Th)、钼(Mo)和徕(Re))的含量与有机物古生产力较高的地层联系起来。该含量能够指示页岩中的天然气潜力。可通过化学地层技术、使用主要、次要和痕量元素的含量和比率加强这些页岩单一地层序中的准确地层关联性。X射线荧光 (XRF)技术可用于在几分钟内以厘米为单位快速编录岩屑和岩心的无机地球化学状况。 应用 赛默飞便携式XRF分析仪使用户能够分析油气上游勘探和生产行业中各种常见的样品类型，包括用于勘探烃的钻井岩屑、岩心、表面露头和活塞柱状岩心沉积物。由于无机化学和最终的岩石矿物成分为地质学家提供了有关岩石内烃分布和烃产出方式的重要信息，故对这些岩石进行元素分析是至关重要的。与金属矿产分析不同的是，便携式XRF无法分析烃流体。然而，它能够分析油气藏的常量元素化学信息，从而反映出孔隙度(胶结物类型)、渗透率(粘土、胶结物类型)、裂隙(硅含量)、生产力(硅、镁(Mg))和痕量金属含量等属性。 最近的内部研究显示该分析仪有能力编录钻井岩屑，分析 含气页岩的白云石含量、取得断层系统中粘土和胶结物的分布图，并显示含气页岩和柱状岩心中痕量金属的微小但却重要的变化。由此可见，便携式XRF可用于油气上游从厘米到千米(km)级的勘探和生产应用。 图1.便携式XRF分析仪的快速元素分析和元素比率绘图适用于钻井编录和勘探 在油气上游勘探和生产中使用便携式XRF分析仪进行元素化学分析 便携式XRF分析仪提供的元素化学分析能用下多种方式帮助上游的勘探和生产工作： 鉴别主要成岩元素—一轻元素[硅(Si)、铝(AI)、钙(Ca)、钾(K)、钠(Na)、镁(Mg)和铁(Fe)] ·常量元素化学分析能够显示样品的矿物学性质：硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐、硫化物(如硅/铝含量较低表示岩石的铝硅酸盐含量较高) •元素比率能够指示定量矿物学：硅/铝、钙/钾、铁/硫、硅/钙(如硅/铝比率在5到22之间表示粘土、石英和长石的混合物) ·地球化学信息增加了所有钻井的岩石物理记录的价值(即伽马“热砂”等) ·常量化学和矿物相(结构)鉴别(傅里叶变换红外光谱学(FTIR)、X射线衍射 (XRD)、岩相学等)的结合提供了矿物学定量 ·矿物学决定烃潜力、油气藏质量、套管深度和断裂位能·钙/镁比率能够提供碳酸盐岩的白云石含量的定量测定。 方法带有几何优化大面积电子漂移探测器 (GOLDDTM)技术的赛默飞Niton XL3t系列便携式XRF分析仪是用于分析含气页岩中轻元素和痕量金属的理想设备。对Niton@XL3t系列XRF分析仪与独立实验室ICP-MS在160个沉积岩样品和标准品上取得的结果进行比较，显示从镁到铀的大多数常量、微量和痕量元素具有典型关联性 (R2)>0.90和重现性<5%相对标准偏差 (RSD)。使用氦气吹扫系统在粉末压片上测试获得最佳的测试结果。低、主、高滤光片上的计数时间各为30秒(用于分析钛到铀)，轻滤光片设置上的计数时间为60秒(用于分析镁到硫)，总分析时间为150秒。对固体岩心和岩屑的研究提供了该数据质量为5-20%范围内的结果。 结果 图2至图6显示了钙、钾、硅、铝和镁元素XRF结果和实验室ICP结果之间的相关性。元素比率可通过分析仪的虚拟元素功能进行准确计算，并被用于确定岩石的矿物定性。 图2. Niton XL3t系列分析仪和ICP-MS测得的Ca0数值的相关性 图3.Niton XL3t系列分析仪和ICP-MS测得的K20数值的相关性 图5.Niton XL3t系列分析仪和ICP-MS测得的AI203数值的相关性 图6. Niton XL3t系列分析仪和ICP-MS测得的Mg0数值的相关性 鹰滩是德克萨斯州重要的烃源岩和页岩气源，其地层序列依次为页岩、粉砂岩和石灰岩。页岩层中很少有指示地层位置的迹象。土仑阶和森诺曼阶岩石之间的重要区别是低总有机碳含量地层和高总有机碳(TOC)含量地层之间的分离。TOC控制了页岩内能够产生的天然气量。对氧化还原敏感的痕量元素(具有多种氧化状态的元素，如铀、钼、铬、钒、镍和徕)可确定这个边界，并且与岩石的古生产力相关。 图7中锰、钒、铬和钼的数据显示在两阶边界之下锰的显著减少以及钒、铬和钼的显著增加。这与岩屑TOC含量的增加有关。痕量金属元素在土仑阶/森诺曼边界之上和之下的显著对比使我们能够精确地定位接触面，误差在几英尺以内。该案例研究清楚地显示Niton XL3t系列XRF分析仪可用于通过化学指标准确地界定地层间隔。常量化学可用于测定天然气页岩中的富产出区域。这是一个用于现场录井的主要工具，也可辅助常规岩心分析。 蒙特里页岩案例研究 蒙特里地层位于不列颠哥伦比亚省东北部和亚伯达省西部，为富含极细粒砂岩和粉砂岩的三叠纪地层。天然气位于该地层中渗透率较低(紧密)、颗粒较细的部分。(见图8) 图7将伽马、总有机碳 (TOC)和元素 编录作为深度的函数进行绘图，深度的单位为英尺(总深度为6900至7300英尺)。伽马的强度在右侧有所增加；高数值表示页岩中存在放射性元素。请注意井段内伽马记录的微小变化。TOC和伽马数据来自于之前壳牌公司的研究。使用900 SDD分析仪对每20英尺的砂粒大小混合钻井岩屑进行锰、钒、铬和钼的分析。使用矿石模式(30秒/滤光片，60秒/轻滤光片)和土壤模式(30秒/滤光片)对样品进行分析。此处显示的数据来自于土壤模式数据组。请注意边界(绿色虚线)之下锰的显著减少以及钒、铬和钼的显著增加。这表示含有更多有机物质的缺氧环境，与边界下更高的TOC值相一致。 于元素含量。元素比率的相对变动可用于快速记录地层中增加的方解石、石英和粘土，以便进一步追踪。富含石英和方解石的断裂倾向井段中的天然气页岩产量最高。地质学家通过现场鉴别这些井段，可更好地对钻探项目进行规划。使用便携式XRF进行快速元素分析和元素比率绘图有助于钻井编录和勘探工作。 结论 图8蒙特里地层中的灰色细粒砂岩和粉砂岩。请注意图中缺少能够进行视觉区分的特性。 使用赛默飞便携式Niton XL3t系列XRF分析仪进行元素分析能够将重要信息带给勘探地质学家。元素化学能够指示可能影响油气储量的岩石特性，如孔隙度(硅和钙)，渗透率(代表粘土和白云石的硅/铝、镁、钙和钾)以及不良矿物的存在(通过硅/铝、铁/硫、镁/钙的比率指示粘土、黄铁矿和碳酸盐胶结物的存在)。将这些信息纳入钻井编录内，有助于对岩石物理数据进行解释，并为勘探项目带来更大的价值。 该地层是由石英以及不同含量的粘土和方解石胶结物组成；也存在黄铁矿。在钻井的同时知悉所遇到的各种井段的矿物学性质可给出地层的总孔隙度信息(见图9)。高硅/铝比率往往表明页岩天然气藏中的总微孔隙度较低。研究人员可通过总孔隙度准确地估算页岩中的天然气含量。 如您需探讨特殊应用和性能要求，或安排现场示范，请联系您当地的赛默飞便携式XRF分析仪销售代表、发送邮件至niton.asia@thermofisher.com或访问我们的网站www.thermo.com.cn/niton。 对比在相同条件下(基质类型和样品制备)所取得分析，准确度并不是一个关键因素，因此元素比率的意义更优 图9使用便携式XRF分析仪取得的主要元素图能够辅助定义蒙特里页岩的相对矿物学性质。左图：铁和硫的元素含量对比图表明硫的原生矿物是黄铁矿(FeS2)而非石膏(CaS04H20)。右图：硅/铝的元素比率是石英 (Si02)和铝硅酸盐(诸如粘土和长石)的基本指标。硅/铝和钙/钾比率的结合能够显示地层中粘土、石英和长石的相对量；例如，钙/钾的高比率表明存在方解石胶结物，硅/铝的高比率表明砂岩中的石英含量较高。 赛默飞世尔科技 服务热线 8008105118 4006505118 analyze.cn@thermofisher.com www.thermo.com.cn XLt系列XRF分析仪在油气上游勘探和生产(E&P)中的应用.indd