沉積學粒度分析方法在石油地質中應用

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摘要：粒度分析方法在發展改進的過程中由于受到各種因素影響，部分研究方法仍存在誤差，未能精確的對粒度進行分析。本文對粒度分析方法相關內容進行簡單總結，并對部分粒度分析方法進行對比分析，一些分析方法雖然具有簡單易操作、耗時短，精確度高等優點，但也存在不足之處。篩析法和圖像法在實驗分析過程中差異明顯，圖像法、激光法在分析過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可以根據不同的粒度范圍、成分、實驗效果等來選擇分析方法，綜合考慮實驗本身所適用的研究范圍等影響因素，以求更精確地對粒度進行分析。

關鍵詞：粒度分析方法；沉積學；篩析法；圖像法；激光法

粒度是指碎屑顆粒的絕對大小，是碎屑顆粒最主要的結構特征，是搬運營力能力和效率的度量標志之一。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、蔣明麗等對粒度分析的發展歷程、粒度標準、常用的幾種粒度分析方法、以及對每一種粒度分析方法的適用范圍、測定原理以及其存在的優缺點進行詳細闡述，認為未來粒度分析方法仍將是多種分析技術并存，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、篩析法進行對比等進行對比，幾種方法峰度相關性較好，但會產生隨機誤差和局限性。金秉福通過分析偏度系數和比較不同粒度分析方法，認為粒度分析中的偏度系數對區分不同搬運動力和不同沉積環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系數的粒度分析新方法，結果與實際值較接近，仍不是很精確。在實際應用中，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，不同分析方法會產生不同誤差。本文通過對粒度分析方法相關內容進行簡單回顧，對部分粒度分析方法進行對比分析并指出它們的優缺點，為更精確地分析粒度提供參考依據。

一、發展歷程

粒度分析的方法追溯起源，最早是由國外學者Stokes提出的，后經發展在國內得到應用，其發展歷程主要優3個發展階段：早期階段（20世紀30年代以前）為奠基階段，內容廣泛，側重定性研究，缺少定量研究；中期階段（20世紀30年代—20世紀年代）為蓬勃發展時期，理論和方法方面得到發展，粒度分析研究的深度和廣度得到擴展；當前階段（20世紀年代至今）為全面、綜合研究的新階段，該階段開始側重改進粒度數據的表征和應用方法，解決數據處理和理論研究等方面出現的問題，對傳統方法進行改進與革新。

二、應用范圍粒度分析研究

內容很多，如沉積物及沉積巖分類；沉積作用的流體力學性質；巖石沉積環境的劃分；碎屑物質運輸方式的判定；沉積巖形成時水動力條件的確定；儲層物性的影響因素；確定斷層錯動強度；火成巖中礦物結晶顆粒形成時溫度、壓力和深度的判別；對古氣候和沉積物源的研究；確定古火山位置、研究火山噴發機制；確定海洋沉積物的沉積物物源和輸運路徑。現階段沉積物粒度分析已經囊括到第四紀環境研究與地層劃分等更多方面。

三、粒度分析結果的表現形式

粒度分析是測定沉積物組分的顆粒大小和各粒級的分布狀況，計算統計參數、編制圖件的一種沉積學方法。在參考自然粒級標準、十進制標準、值粒度標準的基礎上，采用兩種方法:一種是繪制頻率曲線或概率累計曲線圖示說明；另一種是統計并計算各粒度參數解釋沉積作用；采用兩種方法來區分沉積環境、物源環境等。

四、粒度分析方法及對比

可用于顆粒物粒度分析的方法很多，如直接測量法、篩析法、沉降法（動態沉降法和靜態沉降法）、場干擾法（光學法和電學法）、圖像法、X射線衰減法等，其中石油、地質行業中礫石采用直接測量，砂級采用篩析法，粉砂及黏土采用沉降法、流水法、液體比重計等。在多種粒度分析方法中，場干擾法中的激光法粒度分析是最先進的分析方法，具有分析速度快、測量范圍寬等優點，但由于理論程序不同，使得其代表性不強，取樣也會直接影響結果；其他的粒度分析方法也有其不同的優缺點，比如：直接測量法簡單但是只適用于可直接測量的大粒徑顆粒；篩析法簡單易操作，但是受粒徑大小影響，孔篩容易堵塞；沉降法挫折簡單，但樣品處理費時，效率低，樣品粒級范圍不好掌控；場干擾法中的電學法精度高，但在測量不同粒徑顆粒是易發生栓塞；圖像法分為多種分析方法，速度快、精度高、操作簡便、適用范圍廣，但受一些因素影響如次生改造嚴重的巖石、“切面效應”等，使其精確度降低（如表1）。現階段，圖像法仍在改進中，從簡單到復雜、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，美國德州大學開發的UTH-SCSA圖形工具軟件、圖像處理軟件NIHImage、顯微信息系統（MIS）、圖像信息系統（GIS）和自行設計程序等圖像處理方法對不同的粒度進行分析。如季長軍等使用ImageJ圖像軟件對青藏高原烏麗地區的純石英砂巖進行粒度分析研究；操應長等在關于礫巖巖心顆粒結構中提出新的關于薄片圖像粒度分析方法，將薄片圖像法與其他方法相結合來進行礫巖粒度分析；至今為止圖像法仍有很大的發展空間。受一些因素影響，目前只有篩析法和圖像法在應用廣泛，但不同學者提出的關于篩析法和圖像法的使用很多方面還是有不同之處，篩析實驗過程中要進行粒度記錄、粒度組分分級，在實驗完成后根據相關數值繪成各類直方圖和曲線圖，確定中值、平均粒徑等粒度參數值；在篩析法和圖像法進行對比，兩種方法在實驗類型、誤差、精確度等方面也有很大差距；然而簡單的圖像處理方法只需要對圖片進行簡單處理，再進行閾值分割和粒度信息統計，更復雜一點的還需要在閾值分割的時候去除毛刺、孤立點和銳化角，弱化狹窄的部分，人工處理顆粒上的空洞，剔除無效顆粒，最后進行數據分析；另外，圖像法在粒度統計的過程中還會受到不同計數法的影響。在研究中對于圖像法、激光法是否忽略粉砂及黏土這些更小的成分，圖像法統計的是不同粒徑區間顆粒物的面積百分比，而激光法統計的是質量百分比；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的含礫粗砂粒級到細砂粒級樣品；照片法中薄片的粒度測量范圍在0.05-2mm之間且個別測量可達礫石級以上；揭片法適于粗粒的砂質巖、細礫巖和碳酸鹽巖的研究；圖像分析儀法的研究范圍可達0.5-3000.0μm；圖像分割法適用范圍廣，松散的細砂粒級以上的沉積物和固結的粗砂粒級以下的巖石。因此以上幾種方法在實驗過程中還是有可能忽略一些更細的成分。如果忽略不計這些更小的成分，圖像法也可視為一種先進的粒度分析方法。

五、結論

粒度分析的發展、方法、研究內容等成果在地質、油田生產勘探中得到廣泛應用，為地質基礎研究、油田儲層開發提供了依據。粒度分析在發展中也受到一些阻礙，一些粒度分析方法雖然有簡單易操作、耗時都短、精確度高等優點，但也存在很多不足。一是由于各種實驗方式不同，導致分析過程復雜化，實驗效果具有明顯差異，大多數的分析方法在不斷改進，精確度也不斷提高，由于不同的樣品會影響分析過程和分析結果，實驗操作簡便程度不同，導致粒度分析的精確度總是受限，比如篩析法和圖像法整個分析過程完全不同，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程中還會忽略粉砂及黏土這些更小的成分，在進行粒度分析時可以根據不同的粒度范圍、成分、實驗效果來選擇分析方法，比如粒徑很粗可直接測量法；粒徑中等，大小均一，成分單一，無粉砂及黏土這些更小的成分，可以選擇篩析法和場干擾；粒徑小，成分更復雜，可以選擇圖像法。三是不同作者對不同的分析方法持有不同的態度，應該綜合考慮粒度分析中導致所存在的因素，結合使用不同的分析來解決不同粒度分析方法所帶來的結果偏差，更好地進行粒度分析。

作者:鄭燕 李維鋒 單位:長江大學地球科學學院