新疆石西油田一带压裂用石英砂矿物学特征

刘晓亮，卫 阳，王军年，潘志刚

（1.新疆矿产实验研究所，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆宝地矿业股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000；3.新疆地矿局第七地质大队，新疆乌苏 833300）

石油天然气开采时高闭合压力低渗透性矿床经压裂处理后使含油气岩层裂开，油气从裂缝形成的通道中汇集而出。用石英砂支撑材料随同高压溶液进入地层充填在岩层裂隙中起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用，从而保持高导流能力使油气畅通增加产量。20 世纪50 年代至今压裂支撑剂经历了从易破碎的河沙→高质量矿砂→支撑剂混入圆球度较高的核桃壳、玻璃和塑料微珠→覆膜支撑剂和人造陶粒→低、中密度陶粒等演变和发展[1]，前人对压裂支撑剂的发展做了大量研究和总结工作[2-7]。国内页岩气井压裂材料成本占单井成本的10 %左右，其中中石油长宁-威远区块主体采用70/140 目石英砂+40/70 目陶粒的组合支撑剂，单井平均用量为2 200 t～2 600 t，石英砂比例为20 %～30 %[8，9]。新疆主要分布着新疆油田、塔里木油田、吐哈油田三大油气田，每年需要大量石英砂作为支撑剂来增产使用，由此可见地产石英砂的使用对当地油气田开采降本增产有着重要经济意义。

1 矿区地理位置及概况

石英砂矿位于准噶尔盆地古尔班通古特沙漠内，行政区隶属于新疆和布克赛尔蒙古自治县管辖。准噶尔盆地中陆续探明百口泉、乌尔禾、彩南、石西、陆梁、玛湖等17 个油气田，油气资源总量达到100×108t 以上，已成为全疆油气资源的大聚宝盆。玛湖11 个致密砾岩油藏应用118 井次研究成果表明：在油藏埋深小于3 500 m、闭合应力低于55 MPa 的区块天然石英砂可有效替代陶粒作为压裂支撑剂，具备进一步扩大应用规模的条件[10]。盆地中油田总体钻深浅、地层破碎、施工压力较低，油气开采大量使用天然石英砂作为压裂支撑剂。

2 样品及测试条件

石英砂样品均来自古尔班通古特沙漠矿区，样品由无色、浅黄色、褐色、浅褐色、黑褐色、黑色砂粒组成，目测石英大概占60 %，其余部分为不透明岩屑。砂粒粒径范围0.1 mm～2 mm，磨圆度好、边棱角几乎完全圆化，个别透明石英中有黑色不透明粒状包体（见图1a～图1c），样品经水洗、烘干、筛分（20 目～40 目）、精淘后进行制样。利用矿物学测试方法，结合偏反光显微镜、电子探针、扫描电镜、水力压裂支撑剂性能检测、工艺矿物学等测试研究手段对石英砂样品进行矿物学特征研究。

制备重砂样品4 件、磨制砂薄片4 件、砂光片4件，使用Leica Z16 实体显微镜、Leica 2700P 偏反光显微镜观察样品外观形貌特征、结构特征。使用日本电子Jxa-8230 型电子探针显微分析仪（EPMA）测试矿物成分及显微拍照，测试条件为加速电压15 kV，电流10 nA，束斑最小直径1 μm，显微拍照加速电压20 kV。水力压裂支撑剂性能检测在中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司实验检测研究院测试，其他实验测试工作在新疆矿产实验研究所完成。

3 测试方法及结果

3.1 重砂分析

4 件重砂样品经精淘、缩分、磁选、电磁选、重液分离后经实体显微镜镜下鉴定、分析结果（见表1、表2）。按照矿物物理性质把样品分为磁性矿物、电磁性矿物、无电磁性矿物和轻矿物四部分。由表1、表2 可知，除SX1-01 样品中轻矿物质量占分析质量53.32 %外，其余3 个样品轻矿物质量占分析质量均大于70 %。矿物质量分析显示该区域石英砂中以轻矿物为主，轻矿物中石英含量占绝大多数，岩屑次之，含微量长石。岩屑呈深浅不一的褐红色、褐黑色，外形和石英相似（见图1a～图1c），具有磁性，大量分布在磁性、电磁性、轻矿物部分中。

表1 重砂质量分析（g）Tab.1 Gravimetric analysis of heavy sand（g）

表2 重砂矿物分析结果（%）Tab.2 Analysis results of heavy placer minerals（%）

磁性矿物以磁铁矿为主，颜色为黑色，呈不规则粒状，金属光泽，粉末黑色，粒度为0.1 mm～0.4 mm，平均粒度0.25 mm。电磁性矿物中有石榴石、赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、绿帘石、绿泥石、角闪石，其中石榴石、绿帘石、岩屑含量大。石榴石颜色为褐红色、浅褐红色、粉红色，透明，呈滚圆粒状，玻璃光泽，粒度为0.3 mm～0.6 mm，平均粒度为0.4 mm。绿帘石颜色为黄绿色，半透明，呈磨圆粒状、集合体状，玻璃光泽，粉末白色，粒度为0.4 mm～0.6 mm，平均粒度为0.5 mm。无电磁矿物有锆石、磷灰石、重晶石、白钛石、金红石、锐钛矿、方铅矿。

轻矿物中以石英和岩屑为主，石英颜色为无色、浅黄色、个别为乳白色、褐黄色、褐红色，透明至半透明，玻璃光泽，贝壳状断口。呈圆形粒状，棱角磨圆度高，表面呈磨砂状，个别有大小不一凹坑，个别透明石英中有黑色不透明粒状包体。粒度为0.2 mm～0.8 mm，平均粒度为0.5 mm。

3.2 偏反光显微镜下特征

偏光显微镜下砂样中主要成分为石英、岩屑及微量的长石，磨圆度高、粒径大小较均一，分选较好。石英呈圆状分布，粒径多在0.3 mm～1 mm，石英分为单晶石英和多晶石英两类。单晶石英呈圆状，内部纯净，占石英砂60 %左右，多晶石英为石英岩、石英脉及硅质岩等占石英屑40 %左右，其中可见微量长石及黏土杂质矿物。长石为斜长石和钾长石，呈次圆状、圆状，内部蚀变弱表面具泥化现象。岩屑呈圆状分布，成分较复杂多为中基性、酸性火山熔岩屑、凝灰岩、沉积岩屑如泥岩、泥硅质岩等，粒径多在0.5 mm～1 mm，其内部具蚀变现象并含有细粒金属矿物及铁质，少数岩屑中含较多绿帘石。

光片中分布金属矿物量少，褐铁矿、赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿及白钛石都包裹在部分岩屑中。褐铁矿呈半自形-他形粒状，粒径0.01 mm～0.03 mm，由黄铁矿蚀变形成。赤铁矿呈半自形-他形粒状、板状，粒径0.01 mm～0.05 mm。磁铁矿半自形粒状，粒径0.01 mm～0.04 mm。黄铁矿呈自形粒状，白钛矿呈他形粒状，粒径极细，包裹在岩屑中。

3.3 电子探针分析

图1 石英砂外观及镜下特征Fig.1 Appearance and microscopic characteristics of quartz sand

实体显微镜下分别挑选4 件重砂样品中若干粒透明、纯净的石英经清洗、烘干后，通过胶结→切磨→抛光→喷碳等工序制成光片进行电子探针波普测试分析（见表3）。从表3 可见该区域石英化学成分较为单一以SiO2为主，个别样品含微量FeO、MnO、TiO2、Na2O、MgO、Al2O3、K2O、CaO，这与大多数α-石英中含：铁、镁、铝、钙、锂、钠、钾、锗、硼等一致[11]。样品中氧化物SiO2含量范围为99.62 %～99.99 %，与系统矿物学中α-石英化学成分吻合。

带棱角的砂粒在强烈的扰动水体中互相撞击时作用力集中在尖角上，在平坦的解理面上刻蚀出V 型撞击坑，砂粒的解理面经颗粒互相撞击摩擦使石英光滑的表面出现许多极细的参差状的上翻薄片[12]。风成砂磨圆度很高，在风的作用下发生吹蚀、搬运和堆积，在这一过程中石英砂表面产生了一些机械撞击的碟形坑，碟形坑是风成砂的特殊标志。固相SiO2与H2O 产生非常微弱的反应生产正硅酸H4SiO4，它在水中电离成H+和SiO4-，当水溶液呈碱性时溶液中的OH-与从正硅酸电离出来的H+结合成水，使整个反应式向着生成更多的SiO44-的方向进行（SiO2+2H2O→H4SiO4→SiO44-+4H+；4H++4OH-→4H2O），石英为非均质体在不同晶面上沿结构软弱部位形成形状各异的溶蚀坑[13]，最常见为圆形、次圆形边缘凹凸不齐的溶蚀坑。

表3 石英电子探针分析ωB/%Tab.3 Quartz electron probe analysis ωB/%

电镜下将样品分别放大45X-230X 可见石英砂磨圆度较高，砂粒边沿与棱角几乎完全圆化，表面有溶蚀凹坑（见图2a、图2c），部分颗粒中可见冲积过程中因机械作用形成的V 形坑和凹坑（见图2e）和强烈风砂暴时，机械撞击的碟形凹坑和沟槽[14]（见图2a、图2f），石英表面的解理片经受了撞击、摩擦和化学溶解作用显示出许多极细呈参差状的上翻薄片（见图2b、图2d）。几种类型表观特征推断该地石英砂是经过冲积、风成和化学溶蚀多种作用叠加所致。

3.4 水力压裂支撑剂性能测试

新疆油田实验检测研究院依照SY/T 5108-2014水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法，通过从外观、圆度、球度、粒径、支撑剂破碎率、酸溶解度、浊度等共12 个指标来评价压裂石英砂是否达到支撑剂工业要求。在4 个采样区各采原样1 件进行水力压裂用支撑剂性能测试（见表4），从表4 看出圆度、球度均符合标准，但多数样品的粒级、浊度达不到要求，支撑剂破碎率作为最重要指标之一（应力28 MPa）只有一个样品破碎率≤9.0 %，其他样品实测数值略超。影响石英砂支撑剂破碎率的主要原因是石英砂中有较高含量岩屑，粒级、浊度不合格经分析认为是样品没有经水洗去除表面细小杂质、灰尘及石英颗粒周围泥土等影响因素。

图2 石英砂的表面结构特征Fig.2 Surface structure characteristics of quartz sand

表4 水力压裂支撑剂性能测试结果Tab.4 Hydraulic fracturing proppant performance test results

3.5 工艺矿物学特征分析

石英砂提纯就是清除其原矿中含有的杂质，进而获得纯度较高的高纯或者是超高纯石英砂。当前生产中较为常用的石英砂提纯方法有以下5 种：水洗、分级脱泥法、擦洗法、磁选法、浮选法[15]。大量岩屑掺杂在石英砂中导致其破碎率超标，为去除石英砂中的岩屑降低石英砂破碎率，将水洗、烘干后100 g 的石英砂经周期式脉动高梯度磁选机湿式分选出磁性部分19.73 g，非磁性部分79.90 g。选出的磁性部分为黑色、黑褐色岩屑，非磁性部分以石英为主掺杂少量褐色的岩屑，通过磁选可有效剔除近20 %岩屑，提高石英砂中石英纯度。由于样品量少等原因未进一步做提纯后石英砂破碎率实验，按现阶段实验测试成果笔者认为通过精细的水洗→烘干→筛分→磁选→色选等选矿工艺提高石英纯度降低其破碎率，可满足油气企业压裂支撑剂工业标准。

4 结论

（1）新疆石西油田一带压裂用石英砂经重砂分析：石英砂主要由石英和岩屑组成，重矿物含量少，由磁铁矿、石榴石、钛铁矿、绿帘石、绿泥石、白钛石、锆石、磷灰石、重晶石等组成。石英中SiO2成分高，含量范围为99.62 %～99.99 %，在偏光显微镜下呈单晶和集合体状，根据电镜下表面微观特征推断该地石英砂是经过冲积、风成和化学溶蚀多种地质作用叠加所致。

（2）根据SY/T 5108-2014 水力压裂支撑剂性能测试实验数据综合分析，石英砂中岩屑含量过多引起破碎率不达标，经周期式脉动高梯度磁选机湿式分选可有效剔除石英砂中近20 %岩屑，大幅提高石英砂中石英纯度以达到破碎率要求，可通过细致的水洗→烘干→筛分→磁选等选矿工艺剔除岩屑降低其破碎率，使其可用于油气浅井压裂支撑剂使用。

（3）新疆准葛尔盆地分布石西、百口泉、乌尔禾、彩南等17 个油气田，该地石英砂的开发和利用能有效降低当地油气企业生产成本、提高产出，使企业获得最佳经济效益，同时对当地的地方经济有明显促进作用。