岩矿扫描录井设备主要由扫描电镜（背散射电子检测成像系统）和布鲁克X射线能谱仪（元素、矿物分析）两部分组成（图1）。岩矿扫描录井技术通过对岩屑或岩心样品进行自动面扫分析, 定量获取元素、矿物、裂缝密度、孔隙度、孔隙结构等参数, 进而获取样品岩石密度、纵横波时差以及岩石力学参数^{[15, 16, 17, 18, 19, 20]}。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 岩矿扫描录井设备（MaipSCAN）

当高能电子束入射到岩屑或岩心样品表面, 与样品发生相互作用时, 会产生二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极荧光、特征X射线、俄歇电子等信号。背散射电子是被原子核反弹回来的一部分入射电子, 被反射回来的电子数量取决于原子核的强度。通常原子序数越高, 产生的电子数量越多, 由背散射电子形成的图像被称作背散射图像。岩矿扫描录井通过分析背散射图像, 获取孔隙度、裂缝密度等参数（图2）。由于不同的矿物产生的X射线具有不同能量与波长, 对这些X射线的能量或波长进行分析, 可获取被分析样品的矿物种类及矿物含量; 系统根据定义的不同矿物颜色图例, 对扫描的每个像素点分别上色, 最终形成样品矿物假色图（图3）。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 岩矿扫描录井背散射孔隙图

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 岩矿扫描录井矿物假色图

该技术主要应用于岩石属性识别、非常规储层甜点识别与评价、水平井地质导向、压裂地质方案优化等领域^{[15, 16, 17, 18, 19]}。

岩矿扫描录井样品分析主要包括样品筛选、切割（岩心或井壁取心）、包埋、抛光、镀碳、加载、分析等流程。

首先针对岩屑样品采用砂样筛去除假岩屑, 选取有代表性的真岩屑10 g左右; 岩心则需要选取有代表性的样品, 并切割成长和宽均不大于2.5 cm、厚度5~8 mm的样品。然后采用专用树脂对岩屑或岩心样品进行包埋, 待树脂冷凝后, 采用样品磨抛机, 对树脂样品进行打磨抛光, 抛光后的样品表面光滑、平整即可。再利用镀碳仪对打磨抛光后的样品进行镀碳, 确保样品表面碳层喷涂均匀、厚度大于40 nm。最后将镀碳后的样品放入专用样品台, 采用岩矿扫描录井仪进行加载、分析, 获取矿物、裂缝密度、孔隙度、孔径大小分布等参数; 在此基础上, 采用专用软件进一步分析, 可得到密度、时差、泊松比、杨氏模量、破裂压力等参数（图4）。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 岩矿扫描录井样品分析流程

应用岩矿扫描录井技术对塔里木盆地富满地区3口井分析表明, 该地区一间房-鹰山组的矿物以方解石为主, 各矿物质量百分数没有明显差异。其中, 一间房组石英含量平均0.85%, 长石含量平均0.12%, 黏土含量平均1.01%, 方解石含量平均96.58%, 白云石含量平均1.63%, 黄铁矿含量平均0.27%; 鹰山组1段石英含量平均0.80%, 长石含量平均0.06%, 黏土含量平均0.23%, 方解石含量平均97.01%, 白云石含量平均1.44%, 黄铁矿含量平均0.76%; 鹰山组2段石英含量平均0.43%, 长石含量平均0.04%, 黏土含量平均0.31%, 方解石含量平均97.14%, 白云石含量平均1.53%, 黄铁矿含量平均0.46%（图5）。一间房-鹰山组孔隙度、裂缝密度较低。其中, 一间房组孔隙度平均3.91%、裂缝密度2 697.62条/cm²; 鹰山组1段孔隙度平均2.74%、裂缝密度1 925.94条/cm²; 鹰山组2段孔隙度平均为1.25%、裂缝密度829.87条/cm²（图6）。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 A井岩矿扫描录井矿物假色图

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 A井岩矿扫描录井背散射孔隙图

裂缝复杂指数反映储层裂缝复杂程度, 裂缝复杂指数越大储层裂缝越复杂。根据前人研究成果, 碳酸盐岩在沉积/成岩过程中由于受到化学溶蚀作用, 发育包括溶孔、溶洞和裂缝在内的多种类型漏失通道, 而且漏失通道类型是影响漏失的主控因素, 漏失程度与溶洞渗透率大小呈正相关, 且易引发失返性漏失; 漏失通道组合越复杂, 漏失越严重^[21]。成都理工大学2023年10月20日申报的“ 一种考虑裂缝发育指数的碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法” 发明专利^[22], 采用了裂缝复杂指数修正有效应力。该专利中提到的修正公式表明, 裂缝复杂指数越高, 有效应力越小、孔隙压力越大, 即裂缝复杂指数与孔隙压力呈正相关。所以, 受高压影响, 碳酸盐岩储层异常高压区附近储层裂缝往往比较发育, 裂缝复杂指数较高。

断裂空腔和次生溶蚀缝洞是富满地区奥陶系主要储集空间类型。岩屑被破碎后, 富满地区奥陶系碳酸盐岩岩屑样品很难保存完好的断裂空腔和次生溶蚀缝洞, 但是岩屑样品微裂缝会完全保留。因而岩矿扫描录井获取的异常高压碳酸盐岩储层孔隙度相对较低, 但裂缝密度较高。岩矿扫描录井技术通过扫描电镜获取的背散射孔隙图, 可直观显示岩屑、岩心样品裂缝特征, 采用专用软件对背散射孔隙图进行分析, 获取孔隙度、裂缝密度参数, 可建立基于岩矿扫描录井的碳酸盐岩储层裂缝复杂指数。

因不同孔隙度条件下, 相同裂缝密度储层裂缝复杂程度无法直接对比, 所以引入单位孔隙度裂缝密度。单位孔隙度裂缝密度为归一化处理后的裂缝密度, 反映相同孔隙度条件下储层裂缝密度, 单位孔隙度裂缝密度越大, 裂缝越复杂。另外, 因为孔隙度越小、单位孔隙度裂缝密度越大, 反映储层裂缝越复杂。所以采用单位孔隙度的裂缝密度与孔隙度之比, 建立碳酸盐岩储层裂缝复杂指数, 间接预测碳酸盐岩储层孔隙压力相对大小, 裂缝复杂指数越大, 碳酸盐岩储层孔隙压力越大。计算公式如下：

D_upf=F_n/Φ

I_cc=D_upf/Φ =F_n/Φ ²

式中：D_upf为单位孔隙度裂缝密度, 条/（cm²· %）; F_n为裂缝密度, 可通过岩矿扫描录井分析背散射孔隙图获取该参数, 条/cm²; Φ 为储层孔隙度, 体积百分数, 可通过岩矿扫描录井分析背散射孔隙图获取该参数, %; I_cc为裂缝复杂指数, 无量纲。

因为孔隙度大小反映储集空间大小, 能一定程度反映储层具备高压条件的难易程度。通过对塔里木盆地富满地区3口井岩矿扫描录井获取的孔隙度、裂缝复杂指数进行应用, 建立孔隙度与裂缝复杂指数图板（其中：横坐标为孔隙度, 线性坐标; 纵坐标为裂缝复杂指数, 对数坐标）, 识别碳酸盐岩裂缝-孔洞型储层, 预测碳酸盐岩储层异常高压。Ⅰ 类层岩矿扫描录井裂缝复杂指数大于300, 孔洞较发育、储层压力较高; Ⅱ 类层岩矿扫描录井孔隙度大于2%, 孔洞发育中等、储层压力中等; Ⅲ 类层岩矿扫描录井裂缝复杂指数小于300, 且岩矿扫描录井孔隙度小于2%, 孔洞不发育、储层压力低。Ⅰ 、Ⅱ 类层裂缝复杂指数越高, 储层压力越高, 溢流、井漏风险越高; Ⅲ 类层孔洞不发育、储层压力低, 溢流、井漏风险极低（图7）。

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 孔隙度与裂缝复杂指数解释图板

FD 1井完钻井深8 359.05 m（斜深）/8 318.39 m（垂深）, 完钻层位为奥陶系鹰山组2段。钻进过程中累计发生3次溢流：用密度1.45 g/cm³钻井液钻进至井深8 123.57 m, 钻井液池体积上涨0.5 m³; 用密度1.47 g/cm³钻井液钻进至井深8 190.02 m, 钻井液池体积上涨0.5 m³; 用密度1.87 g/cm³钻井液钻进至井深8 359.05 m, 钻井液池体积上涨1.1 m³。该井钻遇8 190.02~8 359.05 m井段过程中发生井漏, 累计漏失1.20~2.35 g/cm³钻井液6 713.9 m³, 钻至8 343.69 m时发生放空, 表明井段8 190.02~8 359.05 m内岩溶发育、地层压力高^[2]; 该井下套管, 至井深7 925 m时发生井漏, 累计漏失1.32~1.37 g/cm³钻井液172.8 m³, 表明该井7 925 m附近岩溶发育、地层压力较高（图8）。

图8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 FD 1井岩矿扫描录井裂缝-孔洞解释成果图

FD 1井在一间房-鹰山组7 913~8 300 m井段中, 应用孔隙度与裂缝复杂指数解释图板（图7）, 共解释Ⅰ 类层117 m, Ⅱ 类层213 m, Ⅲ 类层57 m。其中：Ⅰ 类层孔隙度平均为1.42%, 裂缝密度平均为1 145.91条/cm², 裂缝复杂指数平均721.14; Ⅱ 类层孔隙度平均3.63%, 裂缝密度平均2 664.99条/cm², 裂缝复杂指数平均204.74; Ⅲ 类层孔隙度平均1.55%, 裂缝密度平均500.89条/cm², 裂缝复杂指数平均199.71。分析井段内孔隙度平均2.96%, 裂缝密度平均2 136.68条/cm², 裂缝复杂指数平均319.61（图8）。

综上可知, 本井岩矿扫描录井裂缝-孔洞解释结论、裂缝复杂指数与两次井漏漏失量呈明显正相关, 当岩矿扫描录井裂缝-孔洞解释结论为Ⅰ 、Ⅱ 类层、裂缝复杂指数较高时, 发生溢流、井漏概率较高; 并且孔隙度较低时, 裂缝复杂指数越高, 发生井漏后漏失量越大（图8）。

通过孔隙度与裂缝复杂指数解释图板, 结合裂缝复杂指数, 能有效表征碳酸盐岩储层异常高压, 基于此钻井可提前采取工程措施, 降低溢流、井漏风险发生概率。