CN117405718B - 一种基于xrf扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法 - Google Patents

一种基于xrf扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，包括如下步骤：对预处理后岩心的截面进行XRF扫描以获取全方位钙元素平面分布图；通过对比薄片局部钙元素平面分布图和矿物鉴定分布图在全方位钙元素平面分布图上确定含钙碳酸盐矿物的平面分布范围；基于含钙碳酸盐矿物质量推算岩心生成含钙碳酸盐矿物所消耗的二氧化碳的质量以得到二氧化碳消耗量与岩心质量的比值。本发明利用XRF扫描来检测已经发生过固碳反应样品剖面中含钙碳酸盐矿物含量，进而根据相关反应方程式推算未发生固碳反应岩石中钙元素的固碳潜力，其测算过程中不需要全部使用破坏性的方式即可获得较大范围内的数据，从而全面、准确的评价其固碳潜力。

Description

一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳地质封存技术领域，具体涉及一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力的定量评价方法。
背景技术
对于二氧化碳封存而言，钙元素的固碳潜力一般指钙离子与碳酸根离子反应过程中消耗掉的二氧化碳质量。
对于玄武岩等岩浆岩来说，钙元素的含量一般是比较高的。但对于在自然风化过程中已经与二氧化碳发生反应的玄武岩来说，大部分钙元素是富存于含钙碳酸盐矿物中的，玄武岩中只剩余了少量的氧化钙。若按照现存的氧化钙含量进行相关评价，并不能正确反映玄武岩中钙元素的固碳潜力。
目前评价玄武岩中钙元素固碳潜力的常用方法是对目的层岩石粉末样品进行主量元素分析测得钙元素含量并以氧化钙的形式展现，根据氧化钙与二氧化碳的反应方程式，参考各反应物与生成物的相对原子质量，计算发生反应消耗的二氧化碳质量，由此得到的二氧化碳质量即为钙元素的固碳潜力。然而，通过岩石粉末样品的主量元素测试得到氧化钙含量进而评价其固碳潜力的技术方法存在如下问题：
（1）进行主量元素测试所需的粉末样品往往来自于宝贵的钻井岩心，该种方式在测量过程中会导致岩心遭到破坏。若小范围少量岩心样品的测量，难以准确表征其非均质性；若从不同的位置选取大量样品进行主量元素测试，又会产生很高的取样和测试成本；
（2）由于岩石粉末样品一般是从玄武岩基质中获取，故通过粉末样品进行主量元素测试所得到的往往是玄武岩基质中的钙元素的含量，对于在成岩过程中部分溶解在地层水中并迁移到气孔或裂缝中的钙元素将无法准确进行评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，对玄武岩、橄榄岩等富含铁、镁和钙的岩浆岩钙元素固碳能力进行定量评价，以解决现有技术中获得数据需要对原品进行破坏性测试以及由于样品数量等的限制导致无法准确评估的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，包括如下步骤：
步骤S1：钙元素分布特征
在研究区内已发生固碳反应且测井资料完全的探井中选取大段完整的岩浆岩岩心，预处理后对岩心的截面进行XRF扫描以获取岩心截面的全方位钙元素平面分布图；
步骤S2：含钙碳酸盐矿物的平面分布范围
在所述岩心上选取代表性位置磨制岩石薄片，对所述岩石薄片分别进行XRF扫描和偏光显微镜观察分别获得局部钙元素平面分布图和矿物鉴定分布图，通过对比局部钙元素平面分布图和矿物鉴定分布图在所述全方位钙元素平面分布图上确定含钙碳酸盐矿物的平面分布范围；
步骤S3：定量评价钙元素固碳能力
全方位钙元素平面分布图结合含钙碳酸盐矿物的平面分布范围计算含钙碳酸盐矿物质量，并基于含钙碳酸盐矿物质量反向推算岩心生成含钙碳酸盐矿物所消耗的二氧化碳的质量以得到二氧化碳消耗量与岩心质量的比值，由此定量评价钙元素的固碳潜力；
步骤S4：定量评价钙元素固碳能力方法验证
利用步骤S3所述方法和现有常规方法分别计算钙元素固碳能力，并将两种计算结果进行对比分析，验证步骤S3方法准确性。
进一步地，岩心截面的全方位钙元素平面分布图具体包括岩心基质、气孔和裂缝中的钙元素平面分布图。
进一步地，在步骤S3中定量评价钙元素固碳潜力的具体方法：
在全方位钙元素平面分布图对不同颜色进行分离和拾取，并将导出的颜色数据中每一小区域所占钙元素平面分布图的百分比值求和得到含钙碳酸盐矿物所对应区域的面积占整个扫描图面积的百分比，从而获得岩心中含钙碳酸盐矿物的体积含量；
设定岩心周围地层为规则体，通过测井曲线读取岩心的密度，根据边长求得规则体体积，结合读取岩心的密度和体积求得规则体质量；
根据岩心中含钙碳酸盐矿物的体积含量与规则体体积的乘积得到规则体中含钙碳酸盐矿物的体积，并用含钙碳酸盐矿物的体积乘以含钙碳酸盐矿物密度求得含钙碳酸盐矿物质量；
根据得到的含钙碳酸盐矿物质量，结合生成含钙碳酸盐矿物的化学方程式中各反应物与生成物的相对原子质量反向推算岩心生成含钙碳酸盐矿物所消耗的二氧化碳的质量以得到二氧化碳消耗量与岩心质量的比值，由此定量评价钙元素的固碳潜力。
进一步地，所述规则体为正方体或长方体中的任意一种。
进一步地，在全方位钙元素平面分布图对不同颜色进行分离和拾取时，先将全方位钙元素平面分布图上的不同颜色进行灰度化处理，根据灰度化处理后的灰度疏密随机选取多个相同的拾取区；
进一步地，在计算含钙碳酸盐矿物质量时，根据研究区不同区域所选取岩心的位置，通过统计学方式确定补偿因子集合，在确定岩心的密度和含钙碳酸盐矿物密度时均通过补偿原则在补偿因子集合内分配不同的补偿因子进行校正。
进一步地，所述拾取区的数量以及随机选取方式为：
设定经过灰度化处理的区域边界范围为,均为坐标参数，拾取区的数量为N，N≥3，其中拾取区的边界形状系数为ti，其中/>，i为拾取区序号，拾取区的数量N由设定的区域边界范围和单个拾取区的边界形状系数根据随机函数random（0,1）随机生成；
每个拾取区的区域起点位置为，其中：，
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明利用XRF扫描来检测已经发生过固碳反应样品剖面中含钙碳酸盐矿物含量，进而根据相关反应方程式反向推算未发生固碳反应岩石中钙元素的固碳潜力，其测算过程中不需要全部使用破坏性的方式即可获得较大范围内的数据，从而可以全面、准确的获得研究区的固碳潜力，并且在测算过程中还可以根据研究区的不同进行相应的校正，从而提高其测算的准确范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实例所提供定量评价方法的流程图；
图2为本发明实例所提供的玛201井玄武岩岩心样品经抛光处理后的样品截面图；
图3为本发明实例所提供的XRF扫描样品截面后得到的全方位钙元素平面分布图；
图4a为本发明实例所提供的薄片钙元素XRF扫描图，图4b为图4a同一位置处薄片镜下观察照片拼图；
图5a为本发明实例所提供的方解石分布图在Image-Pro软件中进行颜色拾取的示意图，图5b为图5a的方解石分布图在Image-Pro软件中拾取结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施方式针对玛东地区石炭系玄武岩，选取资料齐全的玛201井作为研究对象进行详细说明。该套地层中的玄武岩在靠近石炭系顶面不整合面的位置在自然风化过程中已经发生了强烈的固碳反应，通过稀盐酸滴定和镜下薄片鉴定发现该玄武岩基质、气孔和裂缝中充填了大量的方解石，这表明岩石中的钙离子与二氧化碳反应生成了碳酸钙。
具体实施步骤如下：
步骤S1：钙元素定性和定量分布特征
如图1所示，本次研究首先将玛201井深3877.1 m处的石炭系玄武岩岩心大块样品的截面进行抛光处理。为了避免岩石非均质性的影响，尽量选取大段完整的岩心。然后利用Bruker M4 Tornado 微型X射线荧光光谱分析仪进行X射线荧光扫描（即XRF扫描）（图2）。通过XRF扫描检测样品截面上玄武岩基质、气孔和裂缝中钙元素的定性和定量分布特征，从而得到该岩石样品剖面上的全方位钙元素平面分布图（图3）。
步骤S2：含钙碳酸盐矿物的平面分布范围
在步骤S1岩心截面上选取具有代表性的地方磨制岩石薄片，然后对该岩石薄片分别再进行XRF扫描和偏光显微镜观察。将该岩石薄片钙元素平面分布图与同一薄片在偏光镜下矿物鉴定的照片拼图作对比，岩石薄片钙元素平面分布图中含钙元素的荧光区域（图4a白色区域）与单偏光镜下观察到的方解石（图4b白色矿物）位置基本吻合。据此可以确定XRF扫描该岩心样品得到的含钙元素的荧光区域基本上全是钙离子反应后生成的方解石。
步骤S3：定量评价钙元素固碳能力
对整个玄武岩（基质、气孔和裂缝）中钙元素固碳能力进行定量评价，在本发明中，由于方解石的分布范围与钙元素的分布范围是一致的，故把全方位钙元素平面分布图放在Image-Pro软件中进行颜色的拾取，首先将全方位钙元素平面分布图导入Image-Pro软件中，接着在Measure菜单栏中选择Count/size选项，点击Manual，在之后出现的对话框中点击Select Clours，就可以对全方位钙元素平面分布图中的灰白区域进行颜色拾取。
返回上一个页面点击Count，就可以把拾取的颜色选中。
然后接着回到Measure菜单栏中选择Select Measurements，在出现的对话框里面选中Per area选项，确定好参数后返回再次点击Count，最后可通过View查看计算的结果，选择Measurement Data就可以得到相关的数据并导出。
将图3中基质、气孔和裂缝内的灰白区域全部选中，然后根据导出数据计算出方解石所对应的灰白区域面积约占整个扫描图面积的6.47%。
由此可知，该岩心样品中方解石的体积约占玄武岩总体积的6.47%。将玛201井3877.1 m处石炭系玄武岩岩心周围的玄武岩地层假设成一个规则的边长1 m的正方体，则玄武岩的体积为1 m3，根据测井资料得到玄武岩的密度为2.70×103 kg/m3。
玄武岩体积乘以玄武岩密度得到玄武岩质量为2.70×103 kg。根据方解石体积在玄武岩体积中的占比得到方解石的体积为6.47×10-2 m3。用方解石体积乘以方解石密度（2.71×103 kg/m3）得出方解石质量约为175.34 kg。参照氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙的反应方程式（1）。
，
碳酸钙的相对原子质量为100.0869，二氧化碳的相对原子质量为44.0095。用方解石质量除以碳酸钙的相对原子质量再乘以二氧化碳的相对原子质量就得到消耗的二氧化碳质量。
所以在1 m3玄武岩中生成175.34 kg的方解石消耗的二氧化碳约为77.10 kg。因此，整个玄武岩（基质、气孔和裂缝）生成方解石所消耗的二氧化碳质量占玄武岩质量的百分比值约为2.86%。
步骤S4：钙元素固碳能力定量评价方法验证
由于传统方法只能计算基质中钙元素固碳能力，因此用本发明方法和传统方法分别计算玄武岩基质中钙元素固碳能力，并进行对比，验证本发明方法是否可行。
①利用本发明的方法计算玄武岩基质中钙元素固碳能力，具体步骤如下：
在本实施例中，在全方位钙元素的平面分布图中玄武岩基质范围内，根据荧光区域的疏密随机选取了九块边长1 cm的正方形区域（图3），图中形状规则的灰白色集中分布区域为裂缝和气孔发育区，选取的时候应避开这些区域。
将选好的九块区域分别裁剪下来，放在Image-Pro软件中进行颜色的选取：首先将裁剪下来的钙元素平面分布图(图5a)导入Image-Pro软件中，接着在Measure菜单栏中选择Count/size选项，点击Manual，在之后出现的对话框中点击Select Clours，就可以对钙元素平面分布图中的灰白色区域进行颜色拾取。
返回上一个页面点击Count，就可以把拾取的颜色选中。
然后接着回到Measure菜单栏中选择Select Measurements，在出现的对话框里面选中Per area选项，确定好参数后返回再次点击Count，最后可通过View查看计算的结果，选择Measurement Data就可以得到相关的数据并导出。
通过软件可以将图中荧光区块选出（图5b），然后将选出的荧光区块个数以及每个荧光区块占正方形面积的百分比数据导出，导出的数据中能够得到所有荧光区域面积之和在整个正方形面积中的占比。
最后得到荧光面积占正方形面积的平均值约为5.9%。所以玄武岩基质中方解石的平均体积含量也大致为5.9%。由此可知，该岩心样品基质中方解石的体积约占玄武岩体积的5.9%。
将玛201井3877.1 m处石炭系玄武岩岩心周围的玄武岩地层假设成一个规则的边长1 m的正方体，则玄武岩的体积为1 m3，根据测井资料得到玄武岩的密度为2.70×103 kg/m3。玄武岩体积乘以玄武岩密度得到玄武岩质量为2.70×103 kg。根据方解石体积在玄武岩体积中的占比得到方解石的体积为5.9×10-2 m3。用方解石体积乘以方解石密度（2.71×103 kg/m3）得出方解石质量约为159.89 kg。参照氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙的反应方程式（1）。
碳酸钙的相对原子质量为100.0869，二氧化碳的相对原子质量为44.0095。用方解石质量除以碳酸钙的相对原子质量再乘以二氧化碳的相对原子质量就得到消耗的二氧化碳质量。所以在1 m3玄武岩基质中生成的方解石所消耗的二氧化碳的量如表1所示：消耗的二氧化碳质量占玄武岩质量的百分值在0.38%与6.11%之间，平均为2.60%。
②常规方法计算玄武岩基质中钙元素固碳能力，具体步骤如下：
通过主量元素分析来测定玄武岩基质粉末样品中的主量元素含量，并将玄武岩基质中钙元素的含量以氧化钙的形式表示出来，得到氧化钙的质量百分比。根据氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙的方程式，氧化钙质量除以氧化钙相对原子质量再乘以二氧化碳相对原子质量就得到消耗掉的二氧化碳质量。
按照玄武岩与超临界流体相互作用的平均反应率的40%计算，最后的结果要乘以0.4。此次研究对玛201井深3877.8 m处玄武岩岩心样品（来自玄武岩基质）进行了主量元素测试得到氧化钙含量为6.07%（表2）。同样是以体积为1 m3的玄武岩为例，玄武岩质量为2.70×103 kg。通过计算得到氧化钙质量为163.89 kg。完全反应消耗掉二氧化碳质量为128.62 kg。在按照平均反应率的40%计算的情况下消耗掉的二氧化碳为51.45 kg。最终1m3玄武岩中钙元素的固碳量约为51.45 kg，消耗的二氧化碳质量占玄武岩质量的百分比值为1.91%。
③将两种方法的计算结果进行对比验证：
综合评价两种方法的计算结果可知，常规方法计算玄武岩基质中钙元素的固碳量占玄武岩质量的百分比值为1.91%，而新方法计算得到的结果是2.60%(表3）。两个结果属于同一个数量级，而且比较接近，这说明新方法的计算结果是合理的、可信的。
相对而言，新方法更能减少由于玄武岩基质中钙元素的非均质性而带来的误差。因为常规方法往往因为成本问题而只选择玄武岩基质中个别点处样品进行测试分析，而新方法是基于一整个大块岩心样品的截面随机选取九个不同的区域进行数据处理和分析。此外，新方法不仅给了平均值，还给出了参考范围，因而更加科学合理。除了玄武岩基质中钙元素的固碳能力，新方法还能评价整个玄武岩（基质、气孔和裂缝）的固碳能力。
本发明利用XRF扫描来检测已经发生过固碳反应样品剖面中含钙碳酸盐矿物含量，进而根据相关反应方程式反向推算未发生固碳反应岩石中钙元素的固碳潜力，其测算过程中不需要全部使用破坏性的方式即可获得较大范围内的数据，从而可以全面、准确的获得研究区的固碳潜力，并且在测算过程中还可以根据研究区的不同进行相应的校正，从而提高其测算的准确范围。
除了玄武岩，本发明同样试用于橄榄岩等富含铁、镁和钙的其他岩浆岩。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：钙元素分布特征
在研究区内已发生固碳反应且测井资料完全的探井中选取大段完整的岩浆岩岩心，预处理后对岩心的截面进行XRF扫描以获取岩心截面的全方位钙元素平面分布图；
步骤S2：含钙碳酸盐矿物的平面分布范围
在岩浆岩岩心上选取有代表性位置磨制岩石薄片，对所述岩石薄片分别进行XRF扫描和偏光显微镜观察分别获得局部钙元素平面分布图和矿物鉴定分布图，通过对比局部钙元素平面分布图和矿物鉴定分布图在所述全方位钙元素平面分布图上确定含钙碳酸盐矿物的平面分布范围；
步骤S3：定量评价钙元素固碳能力
全方位钙元素平面分布图结合含钙碳酸盐矿物的平面分布范围计算含钙碳酸盐矿物质量，并基于含钙碳酸盐矿物质量反向推算岩心生成含钙碳酸盐矿物所消耗的二氧化碳的质量以得到二氧化碳消耗量与岩心质量的比值，由此定量评价钙元素的固碳潜力；
步骤S4：定量评价钙元素固碳能力方法验证
用步骤S3和常规方法分别计算岩浆岩基质中钙元素固碳能力，并将两种结果进行对比分析，验证步骤S3定量评价钙元素固碳能力方法准确性。
2.根据权利要求1所述的一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，其特征在于，步骤S1的岩浆岩为富含铁、镁和钙的岩浆岩。
3.根据权利要求1所述的一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，其特征在于，岩心截面的全方位钙元素平面分布图具体包括岩心基质、气孔和裂缝中的钙元素平面分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，其特征在于，在步骤S3中定量评价钙元素固碳潜力的具体方法：
在全方位钙元素平面分布图对不同颜色进行分离和拾取，并将导出的颜色数据中每一小区域所占钙元素平面分布图的百分比值求和得到含钙碳酸盐矿物所对应区域的面积占整个扫描图面积的百分比，从而获得岩心中含钙碳酸盐矿物的体积含量；
设定岩心周围地层为规则体，通过测井曲线读取岩心的密度，根据边长求得规则体体积，结合读取岩心的密度和体积求得规则体质量；
根据岩心中含钙碳酸盐矿物的体积含量与规则体体积的乘积得到规则体中含钙碳酸盐矿物的体积，并用含钙碳酸盐矿物的体积乘以含钙碳酸盐矿物密度求得含钙碳酸盐矿物质量；
根据得到的含钙碳酸盐矿物质量，结合生成含钙碳酸盐矿物的化学方程式中各反应物与生成物的相对原子质量反向推算岩心生成含钙碳酸盐矿物所消耗的二氧化碳的质量以得到二氧化碳消耗量与岩心质量的比值，由此定量评价钙元素的固碳潜力。
5.根据权利要求4所述的一种基于XRF扫描的岩浆岩钙元素固碳能力定量评价方法，其特征在于，所述规则体为正方体或长方体中的任意一种。
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