沉积学粒度分析方法在石油地质中应用

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摘要：粒度分析方法在发展改进的过程中由于受到各种因素影响，部分研究方法仍存在误差，未能精确的对粒度进行分析。本文对粒度分析方法相关内容进行简单总结，并对部分粒度分析方法进行对比分析，一些分析方法虽然具有简单易操作、耗时短，精确度高等优点，但也存在不足之处。筛析法和图像法在实验分析过程中差异明显，图像法、激光法在分析过程中忽略了粉砂及黏土等更小的成分。因此在选择粒度分析方法时可以根据不同的粒度范围、成分、实验效果等来选择分析方法，综合考虑实验本身所适用的研究范围等影响因素，以求更精确地对粒度进行分析。

关键词：粒度分析方法；沉积学；筛析法；图像法；激光法

粒度是指碎屑颗粒的绝对大小，是碎屑颗粒最主要的结构特征，是搬运营力能力和效率的度量标志之一。为寻求精确的粒度分析方法，前人已研究出多种粒度分析方法，袁红旗等、蒋明丽等对粒度分析的发展历程、粒度标准、常用的几种粒度分析方法、以及对每一种粒度分析方法的适用范围、测定原理以及其存在的优缺点进行详细阐述，认为未来粒度分析方法仍将是多种分析技术并存，多种方法共用的状况。冉敬等、陈秀法等采用激光粒度分析法与薄片图像法、筛析法进行对比等进行对比，几种方法峰度相关性较好，但会产生随机误差和局限性。金秉福通过分析偏度系数和比较不同粒度分析方法，认为粒度分析中的偏度系数对区分不同搬运动力和不同沉积环境下的沉积物具有重要影响。袁瑞等提出一种基于岩石薄片图像空间自相关系数的粒度分析新方法，结果与实际值较接近，仍不是很精确。在实际应用中，由于受到各种因素的影响，不同的粒度分析方法有各种不用的适用范围及缺点，不同分析方法会产生不同误差。本文通过对粒度分析方法相关内容进行简单回顾，对部分粒度分析方法进行对比分析并指出它们的优缺点，为更精确地分析粒度提供参考依据。

一、发展历程

粒度分析的方法追溯起源，最早是由国外学者Stokes提出的，后经发展在国内得到应用，其发展历程主要优3个发展阶段：早期阶段（20世纪30年代以前）为奠基阶段，内容广泛，侧重定性研究，缺少定量研究；中期阶段（20世纪30年代—20世纪60年代）为蓬勃发展时期，理论和方法方面得到发展，粒度分析研究的深度和广度得到扩展；当前阶段（20世纪60年代至今）为全面、综合研究的新阶段，该阶段开始侧重改进粒度数据的表征和应用方法，解决数据处理和理论研究等方面出现的问题，对传统方法进行改进与革新。

二、应用范围

粒度分析研究内容很多，如沉积物及沉积岩分类；沉积作用的流体力学性质；岩石沉积环境的划分；碎屑物质运输方式的判定；沉积岩形成时水动力条件的确定；储层物性的影响因素；确定断层错动强度；火成岩中矿物结晶颗粒形成时温度、压力和深度的判别；对古气候和沉积物源的研究；确定古火山位置、研究火山喷发机制；确定海洋沉积物的沉积物物源和输运路径。现阶段沉积物粒度分析已经囊括到第四纪环境研究与地层划分等更多方面。

三、粒度分析结果的表现形式

粒度分析是测定沉积物组分的颗粒大小和各粒级的分布状况，计算统计参数、编制图件的一种沉积学方法。在参考自然粒级标准、十进制标准、ø值粒度标准的基础上，采用两种方法:一种是绘制频率曲线或概率累计曲线图示说明；另一种是统计并计算各粒度参数解释沉积作用；采用两种方法来区分沉积环境、物源环境等。

四、粒度分析方法及对比

可用于颗粒物粒度分析的方法很多，如直接测量法、筛析法、沉降法（动态沉降法和静态沉降法）、场干扰法（光学法和电学法）、图像法、X射线衰减法等，其中石油、地质行业中砾石采用直接测量，砂级采用筛析法，粉砂及黏土采用沉降法、流水法、液体比重计等。在多种粒度分析方法中，场干扰法中的激光法粒度分析是最先进的分析方法，具有分析速度快、测量范围宽等优点，但由于理论程序不同，使得其代表性不强，取样也会直接影响结果；其他的粒度分析方法也有其不同的优缺点，比如：直接测量法简单但是只适用于可直接测量的大粒径颗粒；筛析法简单易操作，但是受粒径大小影响，孔筛容易堵塞；沉降法挫折简单，但样品处理费时，效率低，样品粒级范围不好掌控；场干扰法中的电学法精度高，但在测量不同粒径颗粒是易发生栓塞；图像法分为多种分析方法，速度快、精度高、操作简便、适用范围广，但受一些因素影响如次生改造严重的岩石、“切面效应”等，使其精确度降低（如表1）。现阶段，图像法仍在改进中，从简单到复杂、单一到多样化。前人采用Word软件，Photoshop图形软件，AdobePho‐toshop定量分析软件，ImageJ图像软件，美国德州大学开发的UTH-SCSA图形工具软件、图像处理软件NIHImage、显微信息系统（MIS）、图像信息系统（GIS）和自行设计程序等图像处理方法对不同的粒度进行分析。如季长军等使用ImageJ图像软件对青藏高原乌丽地区的纯石英砂岩进行粒度分析研究；操应长等在关于砾岩岩心颗粒结构中提出新的关于薄片图像粒度分析方法，将薄片图像法与其他方法相结合来进行砾岩粒度分析；至今为止图像法仍有很大的发展空间。受一些因素影响，目前只有筛析法和图像法在应用广泛，但不同学者提出的关于筛析法和图像法的使用很多方面还是有不同之处，筛析实验过程中要进行粒度记录、粒度组分分级，在实验完成后根据相关数值绘成各类直方图和曲线图，确定中值、平均粒径等粒度参数值；在筛析法和图像法进行对比，两种方法在实验类型、误差、精确度等方面也有很大差距；然而简单的图像处理方法只需要对图片进行简单处理，再进行阈值分割和粒度信息统计，更复杂一点的还需要在阈值分割的时候去除毛刺、孤立点和锐化角，弱化狭窄的部分，人工处理颗粒上的空洞，剔除无效颗粒，最后进行数据分析；另外，图像法在粒度统计的过程中还会受到不同计数法的影响。在研究中对于图像法、激光法是否忽略粉砂及黏土这些更小的成分，图像法统计的是不同粒径区间颗粒物的面积百分比，而激光法统计的是质量百分比；另一方面，图像法忽略了粒径小于7Φ的粉砂及黏土，这可能从根本上造成测定的平均粒径偏粗。不同的图像法研究的粒度范围也各不同，比如：载片法适于松散或弱胶结的含砾粗砂粒级到细砂粒级样品；照片法中薄片的粒度测量范围在0.05-2mm之间且个别测量可达砾石级以上；揭片法适于粗粒的砂质岩、细砾岩和碳酸盐岩的研究；图像分析仪法的研究范围可达0.5-3000.0μm；图像分割法适用范围广，松散的细砂粒级以上的沉积物和固结的粗砂粒级以下的岩石。因此以上几种方法在实验过程中还是有可能忽略一些更细的成分。如果忽略不计这些更小的成分，图像法也可视为一种先进的粒度分析方法。

五、结论

粒度分析的发展、方法、研究内容等成果在地质、油田生产勘探中得到广泛应用，为地质基础研究、油田储层开发提供了依据。粒度分析在发展中也受到一些阻碍，一些粒度分析方法虽然有简单易操作、耗时都短、精确度高等优点，但也存在很多不足。一是由于各种实验方式不同，导致分析过程复杂化，实验效果具有明显差异，大多数的分析方法在不断改进，精确度也不断提高，由于不同的样品会影响分析过程和分析结果，实验操作简便程度不同，导致粒度分析的精确度总是受限，比如筛析法和图像法整个分析过程完全不同，最后的分析效果也就不同。二是图像法、激光法在分析粒度过程中还会忽略粉砂及黏土这些更小的成分，在进行粒度分析时可以根据不同的粒度范围、成分、实验效果来选择分析方法，比如粒径很粗可直接测量法；粒径中等，大小均一，成分单一，无粉砂及黏土这些更小的成分，可以选择筛析法和场干扰；粒径小，成分更复杂，可以选择图像法。三是不同作者对不同的分析方法持有不同的态度，应该综合考虑粒度分析中导致所存在的因素，结合使用不同的分析来解决不同粒度分析方法所带来的结果偏差，更好地进行粒度分析。

作者:郑燕 李维锋 单位:长江大学地球科学学院