新疆石西油田一帶壓裂用石英砂礦物學(xué)特征

劉曉亮，衛(wèi) 陽，王軍年，潘志剛

（1.新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆寶地礦業(yè)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000；3.新疆地礦局第七地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏蘇 833300）

石油天然氣開采時高閉合壓力低滲透性礦床經(jīng)壓裂處理后使含油氣巖層裂開，油氣從裂縫形成的通道中匯集而出。用石英砂支撐材料隨同高壓溶液進(jìn)入地層充填在巖層裂隙中起到支撐裂隙不因應(yīng)力釋放而閉合的作用，從而保持高導(dǎo)流能力使油氣暢通增加產(chǎn)量。20 世紀(jì)50 年代至今壓裂支撐劑經(jīng)歷了從易破碎的河沙→高質(zhì)量礦砂→支撐劑混入圓球度較高的核桃殼、玻璃和塑料微珠→覆膜支撐劑和人造陶粒→低、中密度陶粒等演變和發(fā)展[1]，前人對壓裂支撐劑的發(fā)展做了大量研究和總結(jié)工作[2-7]。國內(nèi)頁巖氣井壓裂材料成本占單井成本的10 %左右，其中中石油長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊主體采用70/140 目石英砂+40/70 目陶粒的組合支撐劑，單井平均用量為2 200 t～2 600 t，石英砂比例為20 %～30 %[8，9]。新疆主要分布著新疆油田、塔里木油田、吐哈油田三大油氣田，每年需要大量石英砂作為支撐劑來增產(chǎn)使用，由此可見地產(chǎn)石英砂的使用對當(dāng)?shù)赜蜌馓镩_采降本增產(chǎn)有著重要經(jīng)濟(jì)意義。

1 礦區(qū)地理位置及概況

石英砂礦位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠內(nèi)，行政區(qū)隸屬于新疆和布克賽爾蒙古自治縣管轄。準(zhǔn)噶爾盆地中陸續(xù)探明百口泉、烏爾禾、彩南、石西、陸梁、瑪湖等17 個油氣田，油氣資源總量達(dá)到100×108t 以上，已成為全疆油氣資源的大聚寶盆?，敽?1 個致密礫巖油藏應(yīng)用118 井次研究成果表明：在油藏埋深小于3 500 m、閉合應(yīng)力低于55 MPa 的區(qū)塊天然石英砂可有效替代陶粒作為壓裂支撐劑，具備進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模的條件[10]。盆地中油田總體鉆深淺、地層破碎、施工壓力較低，油氣開采大量使用天然石英砂作為壓裂支撐劑。

2 樣品及測試條件

石英砂樣品均來自古爾班通古特沙漠礦區(qū)，樣品由無色、淺黃色、褐色、淺褐色、黑褐色、黑色砂粒組成，目測石英大概占60 %，其余部分為不透明巖屑。砂粒粒徑范圍0.1 mm～2 mm，磨圓度好、邊棱角幾乎完全圓化，個別透明石英中有黑色不透明粒狀包體（見圖1a～圖1c），樣品經(jīng)水洗、烘干、篩分（20 目～40 目）、精淘后進(jìn)行制樣。利用礦物學(xué)測試方法，結(jié)合偏反光顯微鏡、電子探針、掃描電鏡、水力壓裂支撐劑性能檢測、工藝礦物學(xué)等測試研究手段對石英砂樣品進(jìn)行礦物學(xué)特征研究。

制備重砂樣品4 件、磨制砂薄片4 件、砂光片4件，使用Leica Z16 實(shí)體顯微鏡、Leica 2700P 偏反光顯微鏡觀察樣品外觀形貌特征、結(jié)構(gòu)特征。使用日本電子Jxa-8230 型電子探針顯微分析儀（EPMA）測試礦物成分及顯微拍照，測試條件為加速電壓15 kV，電流10 nA，束斑最小直徑1 μm，顯微拍照加速電壓20 kV。水力壓裂支撐劑性能檢測在中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院測試，其他實(shí)驗(yàn)測試工作在新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所完成。

3 測試方法及結(jié)果

3.1 重砂分析

4 件重砂樣品經(jīng)精淘、縮分、磁選、電磁選、重液分離后經(jīng)實(shí)體顯微鏡鏡下鑒定、分析結(jié)果（見表1、表2）。按照礦物物理性質(zhì)把樣品分為磁性礦物、電磁性礦物、無電磁性礦物和輕礦物四部分。由表1、表2 可知，除SX1-01 樣品中輕礦物質(zhì)量占分析質(zhì)量53.32 %外，其余3 個樣品輕礦物質(zhì)量占分析質(zhì)量均大于70 %。礦物質(zhì)量分析顯示該區(qū)域石英砂中以輕礦物為主，輕礦物中石英含量占絕大多數(shù)，巖屑次之，含微量長石。巖屑呈深淺不一的褐紅色、褐黑色，外形和石英相似（見圖1a～圖1c），具有磁性，大量分布在磁性、電磁性、輕礦物部分中。

表1 重砂質(zhì)量分析（g）Tab.1 Gravimetric analysis of heavy sand（g）

表2 重砂礦物分析結(jié)果（%）Tab.2 Analysis results of heavy placer minerals（%）

磁性礦物以磁鐵礦為主，顏色為黑色，呈不規(guī)則粒狀，金屬光澤，粉末黑色，粒度為0.1 mm～0.4 mm，平均粒度0.25 mm。電磁性礦物中有石榴石、赤鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、綠簾石、綠泥石、角閃石，其中石榴石、綠簾石、巖屑含量大。石榴石顏色為褐紅色、淺褐紅色、粉紅色，透明，呈滾圓粒狀，玻璃光澤，粒度為0.3 mm～0.6 mm，平均粒度為0.4 mm。綠簾石顏色為黃綠色，半透明，呈磨圓粒狀、集合體狀，玻璃光澤，粉末白色，粒度為0.4 mm～0.6 mm，平均粒度為0.5 mm。無電磁礦物有鋯石、磷灰石、重晶石、白鈦石、金紅石、銳鈦礦、方鉛礦。

輕礦物中以石英和巖屑為主，石英顏色為無色、淺黃色、個別為乳白色、褐黃色、褐紅色，透明至半透明，玻璃光澤，貝殼狀斷口。呈圓形粒狀，棱角磨圓度高，表面呈磨砂狀，個別有大小不一凹坑，個別透明石英中有黑色不透明粒狀包體。粒度為0.2 mm～0.8 mm，平均粒度為0.5 mm。

3.2 偏反光顯微鏡下特征

偏光顯微鏡下砂樣中主要成分為石英、巖屑及微量的長石，磨圓度高、粒徑大小較均一，分選較好。石英呈圓狀分布，粒徑多在0.3 mm～1 mm，石英分為單晶石英和多晶石英兩類。單晶石英呈圓狀，內(nèi)部純凈，占石英砂60 %左右，多晶石英為石英巖、石英脈及硅質(zhì)巖等占石英屑40 %左右，其中可見微量長石及黏土雜質(zhì)礦物。長石為斜長石和鉀長石，呈次圓狀、圓狀，內(nèi)部蝕變?nèi)醣砻婢吣嗷F(xiàn)象。巖屑呈圓狀分布，成分較復(fù)雜多為中基性、酸性火山熔巖屑、凝灰?guī)r、沉積巖屑如泥巖、泥硅質(zhì)巖等，粒徑多在0.5 mm～1 mm，其內(nèi)部具蝕變現(xiàn)象并含有細(xì)粒金屬礦物及鐵質(zhì)，少數(shù)巖屑中含較多綠簾石。

光片中分布金屬礦物量少，褐鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦及白鈦石都包裹在部分巖屑中。褐鐵礦呈半自形-他形粒狀，粒徑0.01 mm～0.03 mm，由黃鐵礦蝕變形成。赤鐵礦呈半自形-他形粒狀、板狀，粒徑0.01 mm～0.05 mm。磁鐵礦半自形粒狀，粒徑0.01 mm～0.04 mm。黃鐵礦呈自形粒狀，白鈦礦呈他形粒狀，粒徑極細(xì)，包裹在巖屑中。

3.3 電子探針分析

圖1 石英砂外觀及鏡下特征Fig.1 Appearance and microscopic characteristics of quartz sand

實(shí)體顯微鏡下分別挑選4 件重砂樣品中若干粒透明、純凈的石英經(jīng)清洗、烘干后，通過膠結(jié)→切磨→拋光→噴碳等工序制成光片進(jìn)行電子探針波普測試分析（見表3）。從表3 可見該區(qū)域石英化學(xué)成分較為單一以SiO2為主，個別樣品含微量FeO、MnO、TiO2、Na2O、MgO、Al2O3、K2O、CaO，這與大多數(shù)α-石英中含：鐵、鎂、鋁、鈣、鋰、鈉、鉀、鍺、硼等一致[11]。樣品中氧化物SiO2含量范圍為99.62 %～99.99 %，與系統(tǒng)礦物學(xué)中α-石英化學(xué)成分吻合。

帶棱角的砂粒在強(qiáng)烈的擾動水體中互相撞擊時作用力集中在尖角上，在平坦的解理面上刻蝕出V 型撞擊坑，砂粒的解理面經(jīng)顆粒互相撞擊摩擦使石英光滑的表面出現(xiàn)許多極細(xì)的參差狀的上翻薄片[12]。風(fēng)成砂磨圓度很高，在風(fēng)的作用下發(fā)生吹蝕、搬運(yùn)和堆積，在這一過程中石英砂表面產(chǎn)生了一些機(jī)械撞擊的碟形坑，碟形坑是風(fēng)成砂的特殊標(biāo)志。固相SiO2與H2O 產(chǎn)生非常微弱的反應(yīng)生產(chǎn)正硅酸H4SiO4，它在水中電離成H+和SiO4-，當(dāng)水溶液呈堿性時溶液中的OH-與從正硅酸電離出來的H+結(jié)合成水，使整個反應(yīng)式向著生成更多的SiO44-的方向進(jìn)行（SiO2+2H2O→H4SiO4→SiO44-+4H+；4H++4OH-→4H2O），石英為非均質(zhì)體在不同晶面上沿結(jié)構(gòu)軟弱部位形成形狀各異的溶蝕坑[13]，最常見為圓形、次圓形邊緣凹凸不齊的溶蝕坑。

表3 石英電子探針分析ωB/%Tab.3 Quartz electron probe analysis ωB/%

電鏡下將樣品分別放大45X-230X 可見石英砂磨圓度較高，砂粒邊沿與棱角幾乎完全圓化，表面有溶蝕凹坑（見圖2a、圖2c），部分顆粒中可見沖積過程中因機(jī)械作用形成的V 形坑和凹坑（見圖2e）和強(qiáng)烈風(fēng)砂暴時，機(jī)械撞擊的碟形凹坑和溝槽[14]（見圖2a、圖2f），石英表面的解理片經(jīng)受了撞擊、摩擦和化學(xué)溶解作用顯示出許多極細(xì)呈參差狀的上翻薄片（見圖2b、圖2d）。幾種類型表觀特征推斷該地石英砂是經(jīng)過沖積、風(fēng)成和化學(xué)溶蝕多種作用疊加所致。

3.4 水力壓裂支撐劑性能測試

新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測研究院依照SY/T 5108-2014水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法，通過從外觀、圓度、球度、粒徑、支撐劑破碎率、酸溶解度、濁度等共12 個指標(biāo)來評價壓裂石英砂是否達(dá)到支撐劑工業(yè)要求。在4 個采樣區(qū)各采原樣1 件進(jìn)行水力壓裂用支撐劑性能測試（見表4），從表4 看出圓度、球度均符合標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)樣品的粒級、濁度達(dá)不到要求，支撐劑破碎率作為最重要指標(biāo)之一（應(yīng)力28 MPa）只有一個樣品破碎率≤9.0 %，其他樣品實(shí)測數(shù)值略超。影響石英砂支撐劑破碎率的主要原因是石英砂中有較高含量巖屑，粒級、濁度不合格經(jīng)分析認(rèn)為是樣品沒有經(jīng)水洗去除表面細(xì)小雜質(zhì)、灰塵及石英顆粒周圍泥土等影響因素。

圖2 石英砂的表面結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Surface structure characteristics of quartz sand

表4 水力壓裂支撐劑性能測試結(jié)果Tab.4 Hydraulic fracturing proppant performance test results

3.5 工藝礦物學(xué)特征分析

石英砂提純就是清除其原礦中含有的雜質(zhì)，進(jìn)而獲得純度較高的高純或者是超高純石英砂。當(dāng)前生產(chǎn)中較為常用的石英砂提純方法有以下5 種：水洗、分級脫泥法、擦洗法、磁選法、浮選法[15]。大量巖屑摻雜在石英砂中導(dǎo)致其破碎率超標(biāo)，為去除石英砂中的巖屑降低石英砂破碎率，將水洗、烘干后100 g 的石英砂經(jīng)周期式脈動高梯度磁選機(jī)濕式分選出磁性部分19.73 g，非磁性部分79.90 g。選出的磁性部分為黑色、黑褐色巖屑，非磁性部分以石英為主摻雜少量褐色的巖屑，通過磁選可有效剔除近20 %巖屑，提高石英砂中石英純度。由于樣品量少等原因未進(jìn)一步做提純后石英砂破碎率實(shí)驗(yàn)，按現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)測試成果筆者認(rèn)為通過精細(xì)的水洗→烘干→篩分→磁選→色選等選礦工藝提高石英純度降低其破碎率，可滿足油氣企業(yè)壓裂支撐劑工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）新疆石西油田一帶壓裂用石英砂經(jīng)重砂分析：石英砂主要由石英和巖屑組成，重礦物含量少，由磁鐵礦、石榴石、鈦鐵礦、綠簾石、綠泥石、白鈦石、鋯石、磷灰石、重晶石等組成。石英中SiO2成分高，含量范圍為99.62 %～99.99 %，在偏光顯微鏡下呈單晶和集合體狀，根據(jù)電鏡下表面微觀特征推斷該地石英砂是經(jīng)過沖積、風(fēng)成和化學(xué)溶蝕多種地質(zhì)作用疊加所致。

（2）根據(jù)SY/T 5108-2014 水力壓裂支撐劑性能測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，石英砂中巖屑含量過多引起破碎率不達(dá)標(biāo)，經(jīng)周期式脈動高梯度磁選機(jī)濕式分選可有效剔除石英砂中近20 %巖屑，大幅提高石英砂中石英純度以達(dá)到破碎率要求，可通過細(xì)致的水洗→烘干→篩分→磁選等選礦工藝剔除巖屑降低其破碎率，使其可用于油氣淺井壓裂支撐劑使用。

（3）新疆準(zhǔn)葛爾盆地分布石西、百口泉、烏爾禾、彩南等17 個油氣田，該地石英砂的開發(fā)和利用能有效降低當(dāng)?shù)赜蜌馄髽I(yè)生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)出，使企業(yè)獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時對當(dāng)?shù)氐牡胤浇?jīng)濟(jì)有明顯促進(jìn)作用。