動態(tài)圖像法與鏡下測量法粒度分布結(jié)果對比研究

陳麥雨，徐守余，張立強，王朝，許紫菁

中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580

粒度分析是儲層地質(zhì)學(xué)常規(guī)分析項目之一，對于判定組分運動方式、分析水動力特征、研究沉積環(huán)境和評價沉積儲層等工作具有重要意義[1-3]。準(zhǔn)確精細(xì)的粒度分布結(jié)果是粒度分析的基礎(chǔ)。蔡廷祿等[4]列舉比較了篩析法、沉降法、鏡下測量法、數(shù)字圖像法和激光法等粒度測試方法的原理、測量范圍及代表儀器設(shè)備。由于各方法的有效測量范圍有限，對于某些沉積巖(物)，需結(jié)合兩種方法才能較為完整準(zhǔn)確地反映粒度分布，其中包括沉降—篩析法[5]、激光—篩析法[6]以及微觀薄片測量和宏觀巖芯精描結(jié)合法[7]等。由于操作簡單、速度較快、依托計算機，激光法具有一定優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用，它與其他方法的對比及校正研究已得到了較多報道[2,5-6,8-9]。動態(tài)圖像法是近年來粒度測試的一種新方法，在操作流程上有激光法快速、方便的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)處理上有數(shù)字圖像法能夠讀取二維粒形信息的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于測量藥物[10-12]、谷物[13]、海灘砂[14-18]、風(fēng)成砂[19-20]等的粒度和形狀。動態(tài)圖像法與篩析法、激光法的粒度曲線十分接近，粒徑參數(shù)的相關(guān)性很好(R2大多大于0.9)，應(yīng)用前景廣闊[15-18]。但是，動態(tài)圖像法對地下儲集巖的研究目前近乎空白，且該方法檢測幾微米到幾十微米的顆?？赡苈杂欣щy[18]，這對真實的粒度分布結(jié)果有影響。

以往有些文獻(xiàn)提到鏡下測量法[4,6-7,21]，卻很少見到詳細(xì)文字介紹和實際資料研究。對大多研究機構(gòu)而言，砂巖薄片資料多于巖芯資料，尚未服務(wù)于粒度分析研究。為此，本文以塔里木輪南地區(qū)X100井三疊系水下分流河道為例，選取12塊砂巖樣品進(jìn)行測試對比，分析篩析—動態(tài)圖像法(下文簡稱動態(tài)圖像法)和鏡下測量法各組分含量、粒度曲線、粒度參數(shù)的異同和相關(guān)性，旨在評價這兩種方法在地下沉積巖粒度分析中的適用性，進(jìn)而探討鏡下測量法粒度結(jié)果的校正方法，為這兩種方法今后能更廣泛地運用于粒度分析建立基礎(chǔ)。

1 方法介紹及實驗流程

1.1 不同粒度測試方法的工作原理

動態(tài)圖像法是利用動態(tài)圖像顆粒分析儀(圖1)，將處理好的樣品通過振動裝置進(jìn)入測試腔，由光束裝置、光學(xué)成像裝置得到每個分散顆粒清晰的投影圖像，如果兩個及兩個以上顆粒的投影發(fā)生重疊，數(shù)字處理系統(tǒng)會自動排除這些“異?！眻D像，并將捕捉到的圖像進(jìn)行處理，一般獲取等效投影面積直徑，最后由計算機輸出顆粒圖像、粒形信息和粒度分布結(jié)果。目前已被報道的分析儀主要為德國萊馳科技公司生產(chǎn)的Camsizer XT和德國新帕泰克公司生產(chǎn)的QICPIC，前者的測量范圍更廣。動態(tài)圖像法只適用于松散—弱膠結(jié)的沉積巖(物)，優(yōu)點是測量快速，能檢測大顆粒和不規(guī)則顆粒，缺點是對粒徑小于0.04～0.09 mm(3.5～4.6φ)的顆?？赡軝z測困難。

篩析法是用一套按孔徑大小順序疊置的標(biāo)準(zhǔn)篩來分離不同粒級的顆粒，通過天平稱取每層篩中的顆粒質(zhì)量，以此計算粒度分布結(jié)果。較細(xì)粒的黏土—粉砂在篩分過程中容易粘附在儀器上或是飄散散失，所以應(yīng)格外測量這一粒級的顆粒。篩析法同樣只適用于松散—弱膠結(jié)的沉積巖(物)，優(yōu)點是原理及設(shè)備簡單，易于操作，缺點是較為耗時。理論上，有多小目數(shù)的篩，篩析法的量程就有多小。

鏡下測量法是用偏光顯微鏡及拍照裝置采集薄片照片，然后對雜基含量及顆粒粒徑進(jìn)行測量，進(jìn)而計算粒度分布結(jié)果[4,6]。鏡下測量法不僅適用于松散—弱膠結(jié)的沉積巖(物)，還適用于強膠結(jié)或強溶蝕的沉積巖(物)[7,22]，優(yōu)點是原理及設(shè)備更為簡單[23]，有薄片就能開展工作，缺點是工作繁瑣，速度緩慢，顆粒數(shù)目極為有限。由于顆粒多為不規(guī)則狀，其粒徑包括長軸徑、短軸徑、等效投影面積直徑、費雷特徑等[15,17](圖2)，在測量時難以統(tǒng)一。

1.2 樣品采集與實驗流程

12塊砂巖樣品取自塔里木輪南地區(qū)中南部X100井TⅠ、TⅡ、TⅢ油組，為辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積。據(jù)薄片鑒定描述，砂巖為長石質(zhì)巖屑砂巖(10/12)和長石巖屑砂巖(2/12)，巖屑含量最大(63.1%)，石英次之(19.4%)，填隙物含量小于7%，以雜基為主，碳酸鹽膠結(jié)物較少。目的層經(jīng)歷的溶解作用較強，膠結(jié)作用和壓實作用相對較弱，可以采用篩析法、動態(tài)圖像法和鏡下測量法進(jìn)行粒度測試。將巖樣編號為1～12，各分成兩份，按以下流程進(jìn)行測試分析(圖3)。

圖2 顆粒的四種粒徑定義示意圖(據(jù)羅章等[17]有修改)Fig.2 Schematic diagram of four particle diameters(modified from Luo et al.[17])

(1) 第一份巖樣進(jìn)行處理制成薄片，選擇4倍物鏡觀察，調(diào)整曝光使照片能達(dá)到最好的效果，在不同視域下拍照，然后用Photoshop軟件測量雜基含量[24]，用AxioVision軟件測量長軸徑。軟巖屑在地下受壓實而發(fā)生變形，故不檢測其粒徑。

圖3 實驗流程圖Fig.3 Experimental flow chart

(2) 第二份巖樣先進(jìn)行預(yù)處理[25]，再分別用篩析法及動態(tài)圖像法進(jìn)行測試，后者儀器型號為丹東市百特儀器有限公司BT-2900分析儀，測量范圍為0.063～10 mm。先將巖樣研磨至中礫大小，加入濃度為5%的鹽酸浸泡12 h去除碳酸鹽，然后每隔4 h換純凈水浸泡以去除酸離子并使沉積物松散，共換3次純凈水，最后抽去純凈水，將樣品烘干后研磨打散至砂級大小。研磨過程中注意用力適當(dāng)，不要人為破壞顆粒形態(tài)。

(3) 取280目(0.053 mm)、230目(0.063 mm)標(biāo)準(zhǔn)篩[26]進(jìn)行篩析實驗，記錄稱重。

(4) 在計算機上設(shè)置檢測顆粒數(shù)量上限為60萬，以φ/4為級差[26-27]設(shè)置粒級間隔進(jìn)行動態(tài)圖像測試，檢測顆粒的等效投影面積直徑。

(5) 對鏡下測量法、動態(tài)圖像法所得結(jié)果進(jìn)行校正(公式1～4)，最后整理數(shù)據(jù)。由于各粒級顆粒面積分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)差異不大，本文統(tǒng)一計算顆粒面積分?jǐn)?shù)。

φs=0.3815+0.9027φb

(1)

Xs=Xb×(1-Xz)

(2)

K=(Mt-Mx)/Mt

(3)

Xs=Xb×(1-K)

(4)

其中，φb、φs分別為鏡下測量法校正前、后的顆粒粒徑(φ值)，Xb、Xs分別為校正前、后某一粒級顆粒面積分?jǐn)?shù)(%)，Xz為雜基含量(%)，K為篩析校正系數(shù)(%)，Mt為篩析前的試樣總重(g)，Mx為篩析后的顆粒重量(g)。

2 測試結(jié)果對比分析

2.1 各組分含量對比

沉積物粒度采用Udden-Wentworth方案[1]及McManus的φ值[4]分級，砂巖樣品定名以薄片資料為準(zhǔn)，采用三級命名法[25]。為了較好地對比動態(tài)圖像法及鏡下測量法所得結(jié)果的差異，分別對6個粒級組分的含量進(jìn)行比較(圖4)。

圖4 兩種測試方法所得沉積物各組分含量對比圖Fig.4 Content comparison of each grain gradation obtained by the thin-section measuring method and the combining dynamic image analysis with sieving method

(1) 黏土—細(xì)粉砂(<0.05 mm)：11個樣品動態(tài)圖像法所測結(jié)果大于鏡下測量法，差值為0～5.7%，平均為1.9%，差值較大的樣品為粉—細(xì)砂巖，差值不明顯的主要為中砂巖。

(2) 粗粉砂(0.05～0.1 mm)：9個樣品(主要為中砂巖類)動態(tài)圖像法所測結(jié)果大于鏡下測量法，差值為1.2%～5%，平均為2.4%。這9個樣品鏡下測量法所測結(jié)果極小，為0.2%～1.6%，平均為0.4%。另外3個樣品(皆為粉—細(xì)砂巖)動態(tài)圖像法所測結(jié)果小于鏡下測量法，差值為2.4%～18.5%，平均為10.8%。

(3) 細(xì)砂(0.1～0.25 mm)：5個樣品(皆為中砂巖類)動態(tài)圖像法所測結(jié)果大于鏡下測量法，差值為4.6%～22.3%，平均為11.6%，差值較大的樣品為細(xì)—中砂巖。另外7個樣品(為粉—細(xì)砂巖和中—細(xì)砂巖)動態(tài)圖像法所測結(jié)果小于鏡下測量法，差值為9.7%～21.2%，平均為14.8%，差值較大的樣品為粉—細(xì)砂巖。

(4) 中砂(0.25～0.5 mm)：6個樣品(皆為細(xì)砂巖類)動態(tài)圖像法所測結(jié)果大于鏡下測量法，差值為0.3%～22.6%，平均為10.3%，差值較大的樣品為粉—細(xì)砂巖。另外6個樣品(主要為細(xì)—中砂巖)動態(tài)圖像法所測結(jié)果小于鏡下測量法，差值為2.9%～38.3%，平均為21.5%，差值較大的樣品為粗—中砂巖和中—粗砂巖。

(5) 粗砂(0.5～1 mm)：10個樣品動態(tài)圖像法所測結(jié)果大于鏡下測量法，差值為0.9%～23.2%，平均為10.3%，差值較大的樣品為粗—中砂巖。另外2個樣品(皆為細(xì)—中砂巖)動態(tài)圖像法所測結(jié)果小于鏡下測量法，差值為1.5～7.2%。

(6) 巨砂(1～2 mm)：由于薄片中顆粒數(shù)量有限，12個樣品鏡下測量法所測結(jié)果皆為0，動態(tài)圖像法為0～4%，平均為0.8%，巨砂含量的多少與巖性有關(guān)。

通過以上統(tǒng)計可知，約75%樣品的黏土—粉砂含量和約83%樣品的粗砂—巨砂含量動態(tài)圖像法所測結(jié)果高于鏡下測量法，但二者所測黏土—粉砂、巨砂含量差異較小，絕大數(shù)不超過6%。樣品粒級越粗，兩種方法所測黏土—粉砂含量差異越不明顯。對粉—細(xì)砂巖(5、9號樣品)、細(xì)砂巖(1號樣品)而言，動態(tài)圖像法所測中砂含量偏大，粗粉砂、細(xì)砂含量偏?。粚χ小?xì)砂巖(10、11、12號樣品)而言，動態(tài)圖像法所測中砂、粗砂偏大，細(xì)砂含量偏??；對細(xì)—中砂巖(4、6、7、8號樣品)、粗—中砂巖(2號樣品)、中—粗砂巖(3號樣品)而言，動態(tài)圖像法所測細(xì)砂、粗砂含量偏大，中砂含量偏小?？傊?，動態(tài)圖像法檢測粗組分含量偏大，相應(yīng)的細(xì)組分含量會偏小。若用X表示粒級，對于X砂巖而言，動態(tài)圖像法所測X+1級組分含量偏大，X級組分含量偏小，若X砂巖的粒度較粗，則動態(tài)圖像法所測X-1級組分含量由偏小向偏大轉(zhuǎn)變，這正是兩種方法產(chǎn)生差異的原因。

2.2 粒度參數(shù)對比

粒度參數(shù)是反映粒度特征的重要數(shù)據(jù)。用Grapher軟件在累積曲線上讀值，按Folk-Ward圖解法公式[4]計算粒徑中值Md、平均粒徑Mz、分選系數(shù)σ1、偏度SK1和峰度KG，此外再求取D10、D90，Di表示累積曲線上顆粒累積含量為i%時所對應(yīng)的粒徑，以φ值為單位。圖5中的y=x線可以反映兩種方法計算的粒度參數(shù)的差異，如果數(shù)據(jù)點靠近y=x線，說明二者差異較小，如果數(shù)據(jù)點落在y=x線下方區(qū)域，說明與鏡下測量法相比，動態(tài)圖像法計算的粒徑偏小，分選偏差，頻率曲線的峰偏向粗粒度一側(cè)，峰偏尖銳。由圖5a～c可見，動態(tài)圖像法的D10、Md、Mz偏粗，D90偏細(xì)，說明動態(tài)圖像法檢測粗組分含量偏大，細(xì)組分含量偏小，與圖4所得結(jié)論一致。動態(tài)圖像法的分選偏差、偏度偏正、峰度偏尖銳約一個等級(圖5d)，舉例而言，對同一塊樣品，如果鏡下測量法解釋為分選較好、峰近對稱、中等峰度，動態(tài)圖像法會解釋為分選中等、峰正偏態(tài)、中等峰度或峰尖銳。

由于σ1、SK1和KG較難獲得相關(guān)性明顯的回歸方程，本文只對粒徑參數(shù)進(jìn)行回歸分析。D10、D90、Md、Mz的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.6～0.7以上(圖5a～c)，相關(guān)性較好但不理想，究其原因，實驗樣本小、操作誤差是一方面，兩種方法所測同一組分含量存在差異應(yīng)是主要原因。累積曲線越偏向左側(cè)說明顆粒越粗，由圖6可見，動態(tài)圖像法累積曲線大粒徑部分相對左偏，小粒徑部分相對右偏，偏離程度的大小與巖性有關(guān)。因此，動態(tài)圖像法的Di(i<70)一般偏小，Dj(j>80)偏大，由Folk-Ward公式可得，動態(tài)圖像法的Md、Mz偏小，σ1、SK1偏大，KG一般會偏大。

2.3 誤差分析

與鏡下測量法相比，動態(tài)圖像法測定粗組分含量偏高，細(xì)組分含量偏低，筆者認(rèn)為原因主要有以下四條。

(1) 測試方法的量程 BT-2900分析儀的測量范圍為0.063～10 mm(-3.3～4.0φ)，結(jié)合篩析法，測量范圍可延伸到0.05 mm以下(>4.3φ)，更接近實際情況。本文鏡下測量法的測量范圍為0.03～0.93 mm(0.1～4.9φ)。因此，有一部分較粗的顆粒不能被鏡下測量法檢測到，如果這一部分占較大比例，則會造成二者間的差異，如巨砂含量的差異使動態(tài)圖像法測定粗組分含量偏高(圖4f)。

圖5 兩種測試方法所得粒度參數(shù)對比及4個粒徑參數(shù)的相關(guān)性Fig.5 Comparison of D10, D90, D50(median grain-size), average grain-size, sorting, skewness, and kurtosis obtained by two grain-size test methods and correlation of four grain diameters

圖6 兩種測試方法所得累積曲線對比圖Fig.6 Comparison of grain-size cumulative curves obtained by two grain-size test methods

(2) 檢測顆粒的數(shù)目 BT-2900分析儀的測量數(shù)目多達(dá)60萬，鏡下測量法檢測顆粒的數(shù)目受視域和巖性影響， 4倍物鏡下，在粒度較細(xì)的砂巖中可檢測約120～230個顆粒，而在粒度較粗的砂巖中僅檢測約60～120個顆粒。如果巖石分選較好，選取顆粒的人為性較大，如會忽略檢測細(xì)砂巖中的粗砂，而若分選較差(不等粒砂巖)，各粒級顆粒都會被檢測。鏡下測量法反映沉積巖(物)粒徑總體特征較為局限，檢測顆粒的數(shù)目的懸殊應(yīng)是兩種測試方法存在差異的主要原因之一。

(4) 巖性 兩種方法所測粗粉砂、中砂等含量的差異與巖性有關(guān)，以中砂含量差異最大(圖4b，d)。對兩種方法所得各組分含量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，黏土—細(xì)粉砂、粗粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂—巨砂含量的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.01、0.68、0.69、0.25和0.80(圖7a)，認(rèn)為黏土—粉砂組分和中砂組分是兩種方法產(chǎn)生差異的分界線。

3 鏡下測量法粒度分析結(jié)果校正

量程、檢測顆粒的數(shù)目、原理和顆粒形狀都難以作為實現(xiàn)校正的考慮因素，而“改變”各組分含量具有一定的可操作性。兩種方法各組分含量的不同影響頻率曲線及累積曲線的形態(tài)，進(jìn)而影響粒徑參數(shù)及二者之間的相關(guān)性。鑒于動態(tài)圖像法可以替代經(jīng)典的篩析法[17]，其粒度分布結(jié)果更為大眾接受，而鏡下測量法的使用程度不高，本文從各組分含量出發(fā)，實現(xiàn)鏡下測量法粒度分布結(jié)果校正。

圖7 鏡下測量法各組分含量校正前后相關(guān)性對比，擬合回歸線被省略Fig.7 Content comparison of each grain gradation using the pre-calibrated and post-calibrated thin-section measuring method with the dynamic image analysis method. The fitting linear regression trendlines are omitted

結(jié)合2.1節(jié)展示的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上建立校正后的鏡下測量法與動態(tài)圖像法各組分含量的回歸方程(圖7b)以及D10、D90、Md、Mz這四個粒徑參數(shù)的回歸方程(圖8)。以粉—細(xì)砂巖(樣品5)為例，應(yīng)屬于黏土—細(xì)粉砂、中砂的顆粒分別落在了粗粉砂、細(xì)砂中，故首先用公式(2)反解Xb，將4～4.25φ區(qū)間內(nèi)的粗粉砂校正為黏土—細(xì)粉砂，重新計算Xs。然后將2～2.5φ區(qū)間內(nèi)的細(xì)砂校正為1.5～2φ區(qū)間內(nèi)的中砂，將其他i～i+0.25φ區(qū)間內(nèi)的組分校正到i-0.5～i-0.25φ區(qū)間。初次校正后存在某一i～i+0.25φ區(qū)間內(nèi)組分含量為0，則將i-0.25～iφ區(qū)間內(nèi)的組分按1∶2的比例分別校正到i～i+0.25φ、i-0.25～iφ區(qū)間中。對于更粗的砂巖，并不需要重新計算Xs和校正黏土—粉砂含量。校正后細(xì)砂、中砂、粗砂含量和Md、Mz以及刪去一個異常點的D90的相關(guān)系數(shù)R2增大到0.88～0.95(圖7b、圖8)，屬于強相關(guān)，說明校正后的鏡下測量法所得的這三種組分含量與動態(tài)圖像法在相當(dāng)程度上已吻合。雖然黏土—粉砂組分的相關(guān)性仍不強，D10、D90仍分別落在y=x線的兩側(cè)，說明粗、細(xì)兩端含量仍有待改進(jìn)，但0.88～0.95的相關(guān)性說明該校正方法對鏡下測量法而言是有意義的。

圖8 校正后的鏡下測量法所得粒徑參數(shù)的相關(guān)性Fig.8 Correlation of four grain diameters using the post-calibrated thin-section measuring method with the dynamic image analysis method

4 結(jié)論

(1) 與鏡下測量法相比，動態(tài)圖像法檢測粗組分含量偏大，相應(yīng)的細(xì)組分含量會偏小，動態(tài)圖像法計算的粒徑中值和平均粒徑偏粗，分選偏差，偏度偏正，峰度偏尖銳。

(2) 檢測顆粒數(shù)目的懸殊和巖石類型是這兩種方法粒度分布結(jié)果存在差異的主要原因，量程、測量原理和顆粒形狀也會造成一定的影響。

(3) 黏土—粉砂組分和中砂組分是這兩種方法產(chǎn)生差異的分界線。巖樣粒級越粗，兩種方法所測黏土—粉砂含量差異越不明顯。

(4) 校正后的鏡下測量法的細(xì)砂、中砂、粗砂含量以及粒徑參數(shù)與動態(tài)圖像法所測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.88～0.95，達(dá)到了校正基本目的。

致謝 我院祝國建、任心月、劉衍琦、嚴(yán)一鳴為樣品預(yù)處理、粒度測試和粒度分析提供了幫助，華東師范大學(xué)2017屆羅章以郵件方式對筆者進(jìn)行了答疑，審稿專家及編輯部老師提出了鼓勵與寶貴的修改意見，在此謹(jǐn)致謝忱。