低滲砂巖儲層巖石學(xué)特征與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系——以鄂爾多斯盆地蘇里格－吉爾地區(qū)下石盒子組八段下亞段為例

何 江，付永雷，沈桂川，朱曉燕，伍啟林

(1.西南石油大學(xué)，四川成都610500;2.中國石油 青海油田分公司采油一廠，青?；ㄍ翜?16400;3.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安710018)

近年來，低滲儲層開發(fā)已成為生產(chǎn)與科研熱點，許多學(xué)者針對不同類型儲層的應(yīng)力敏感性作了詳細研究［1－8］，取得了大量重要認識，普遍認為油氣藏未開發(fā)時，巖石應(yīng)力受骨架結(jié)構(gòu)支撐力、孔隙流體壓力、上覆巖層壓力三者影響，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)［9－19］。油氣藏開發(fā)后，上覆巖層壓力不變，而儲集體中油水等流體產(chǎn)出，造成孔隙流體壓力明顯下降，破壞了原有應(yīng)力平衡，巖石骨架結(jié)構(gòu)受力增強導(dǎo)致各種變化，產(chǎn)生應(yīng)力敏感性間接影響儲層物性參數(shù)及各種開發(fā)特征。特別是致密油氣藏主要采用衰竭式開發(fā)，地層壓力得不到補充，儲層的應(yīng)力敏感性顯得尤其突出。前人的研究工作多側(cè)重于評價應(yīng)力敏感性與間接變量儲層物性參數(shù)、開發(fā)效果的相關(guān)性，缺少對應(yīng)力敏感性與本質(zhì)變量巖石學(xué)特征(即巖石骨架結(jié)構(gòu))的耦合關(guān)系進行精細解剖。筆者以鄂爾多斯盆地蘇里格－吉爾地區(qū)下石盒子組八段下亞段(盒下8亞段)為例，在巖心精細觀察、描述的基礎(chǔ)上，針對不同巖石類型進行系統(tǒng)取樣，同一樣品栓作鑄體薄片、滲透率、巖石應(yīng)力敏感性測試，解剖了巖石學(xué)特征與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系。

蘇里格－吉爾地區(qū)位于蘇里格氣田區(qū)中北部，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西側(cè)，西接天環(huán)坳陷，東鄰烏審旗地區(qū)［20］(圖1)。區(qū)內(nèi)二疊系三分，下統(tǒng)細分為太原組與山西組，中統(tǒng)為下石盒子組和上石盒子組，上統(tǒng)為石千峰組。中統(tǒng)下石盒子組與下伏山西組呈假整合接觸。主要沉積了一套濱淺湖和河流－三角洲相的砂、泥巖不等厚互層的巖性組合，自下而上分為盒下8、盒上8、盒7、盒6和盒5亞段。盒下8亞段低滲砂巖是區(qū)內(nèi)最為重要的儲產(chǎn)層，即本次研究重點。

1 儲層巖石學(xué)特征

蘇里格－吉爾地區(qū)下石盒子組盒下8亞段低滲砂巖儲層中長石絕大多數(shù)已發(fā)生次生溶解，僅從溶模孔形態(tài)可以辨別少量(圖2a)。砂巖類型主要為巖屑石英砂巖，其次為含硅質(zhì)石英砂巖、少量巖屑砂巖，粒度以中－粗粒為主，多含石英質(zhì)細礫石。此外，垂向剖面結(jié)構(gòu)兼有正粒序和逆粒序兩種，主要為濱、淺湖灘、壩相砂巖沉積［13］。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元劃分Fig.1 Structure division of Ordos Basin

1.1 石英砂巖

石英砂巖類以淺灰白色中－粗粒含硅質(zhì)石英砂巖(硅質(zhì)膠結(jié)物10% ～15%)為主(圖2b)，未見純石英砂巖，分選好;結(jié)構(gòu)組分中，碎屑石英含量90% ～93%，深水硅質(zhì)巖屑、變質(zhì)石英巖屑、白云母石英片巖屑、燧石屑、巖漿巖屑和石英片巖等剛性巖屑含量3% ～7%，電氣石、石榴子石等重礦物少見;千枚巖屑和白云母屑等柔性巖屑少或不含。特別值得注意的是，石英骨架顆粒的自生加大可達2～3級(加大邊含量12% ～20%)，加大后殘余粒間孔被鐵綠泥石、自生石英、高嶺石、鐵綠泥石和/或方解石一期或多期不同程度的充填或半充填(圖2c)，孔隙類型以高嶺石晶間孔或充填后殘余粒間孔為主。

1.2 巖屑石英砂巖

圖2 蘇里格－吉爾地區(qū)亞段低滲砂巖儲層巖石類型及特征Fig.2 Rock types and features of the low-permeability reservoirs in the lower 8thmember of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

淺灰白色中－細粒巖屑石英砂巖(圖2d)為區(qū)內(nèi)主要巖石類型，分選中等，結(jié)構(gòu)成分中有75% ～88%的碎屑石英，5% ～15%的剛性巖屑，9% ～14%柔性巖屑。柔性巖屑在壓實過程中易形成假基質(zhì)，其類型主要為千枚巖屑，次為黑、白云母屑，極少量煤屑、泥巖屑和淺變質(zhì)泥質(zhì)細粉砂巖屑;此外，少數(shù)薄片的骨架顆粒間可見2% ～6%的水云母、絹云母基質(zhì);石英自生加大0～2級(加大量3%～10%);長石溶模孔隙和殘余粒間孔隙充填情況同含硅質(zhì)石英砂巖。

根據(jù)高嶺石、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、含鐵綠泥石等膠結(jié)物含量的差異，巖屑石英砂巖可細分為含高嶺石巖屑石英砂巖、含硅質(zhì)巖屑石英砂巖、含高嶺石及鐵綠泥石巖屑石英砂巖(圖2e)、含硅質(zhì)及高嶺石巖屑石英砂巖、(含)鈣質(zhì)巖屑石英砂巖、含硅質(zhì)(含)鈣質(zhì)巖屑石英砂巖、含鐵綠泥石巖屑石英砂巖。

1.3 巖屑砂巖

巖屑砂巖(圖2f)大多為特低滲儲層，區(qū)內(nèi)局部可見，以(淺)綠灰色為主，棱角狀－半棱角狀。結(jié)構(gòu)組分中一般含有4%～8%的剛性巖屑，20% ～32%的柔性巖屑，少數(shù)薄片中見3% ～6%水云母、絹云母基質(zhì);石英自生加大0～2級(加大量4% ～6%)，長石溶?？紫逗蜌堄嗔ｉg孔隙充填情況同含硅質(zhì)石英砂巖。同樣根據(jù)高嶺石、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、含鐵綠泥石等膠結(jié)物含量的差異，可細分為含高嶺石巖屑砂巖、含硅質(zhì)巖屑砂巖等。

2 應(yīng)力敏感性實驗

實驗結(jié)果表明，在凈圍壓為2 MPa時，各樣品初始滲透率值在0.002 32×10－3～3.390×10－3μm2，平均值0.295×10－3μm2，整體屬于低滲范圍。當凈圍壓由2 MPa升至40 MPa時，各樣品滲透率(K40)下降至初始滲透率的32.9% ～1.7%，平均為初始滲透率的9.64%，滲透率損害較大;當凈圍壓從40 MPa降壓至2 MPa時，壓力回返過程中某凈圍壓點所測得滲透率均低于升壓過程同一凈圍壓點所測得滲透率，滲透率損害的恢復(fù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，根本原因在于升壓過程中儲層的孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了永久性的、不可逆的儲層傷害。所測各樣品的滲透率凈圍壓恢復(fù)至2 MPa時滲透率(K2)僅恢復(fù)初始滲透率的79.9% ～30%，平均為初始滲透率的63.48%，總體上儲層巖石的應(yīng)力敏感性中等偏強。此外，初始滲透率值(K0)與加載圍壓至40 MPa時相應(yīng)的滲透率/初始滲透率值(K40/K0)、卸載圍壓至2 MPa時相應(yīng)的滲透率/初始滲透率值(K2/K0)均呈明顯的正相關(guān)(圖4)，亦即說，越是低滲致密的儲層巖石應(yīng)力敏感性越強。

圖3 蘇里格－吉爾地區(qū)蘇16井1－15/132樣品應(yīng)力敏感性實驗曲線Fig.3 Curves showing the stress-sensitivity of sample 1－15/132 from Well Su－16 in Sulige-Jier area

圖4 蘇里格－吉爾地區(qū)盒下8亞段各樣品初始滲透率與應(yīng)力敏感性相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation of initial permeability and stress-sensitivity of the lower 8th member of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

3 低滲砂巖儲層巖石學(xué)特征與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系

基于區(qū)域地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征的分析，結(jié)合應(yīng)力敏感性實驗結(jié)果，明確了目的區(qū)塊低滲砂巖儲層巖石學(xué)特征與應(yīng)力敏感性的耦合關(guān)系。

3.1 骨架顆粒成分與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系

區(qū)內(nèi)巖石骨架顆粒成分中長石均已發(fā)生次生溶解(圖2a)，主要為碎屑石英和巖屑。碎屑石英在亞段中含量55%～93%，主要來自深變質(zhì)的石英巖和石英片巖類。而巖屑成分較為復(fù)雜，一般按巖屑的強度可劃分為剛性巖屑和柔性巖屑兩類。①剛性巖屑在石英砂巖中含量3% ～7%，巖屑石英砂巖中含量5% ～15%，巖屑砂巖中含量2% ～32%，個別達46%。主要有變質(zhì)石英巖(圖5a)、深水硅質(zhì)巖屑(圖5b)、燧石屑、巖漿巖屑、白云母石英片巖屑。②柔性巖屑在石英砂巖中含量0～3%，在巖屑石英砂巖中含量1%～15%，在巖屑砂巖中含量最高時達45%。主要有石英白云母片巖屑、弱變質(zhì)的泥質(zhì)粉砂巖屑、云母片巖屑(圖5c)、千枚巖屑(圖5d)、炭質(zhì)板巖屑、云母屑等。

圖5 蘇里格－吉爾地區(qū)盒下8亞段低滲砂巖儲層巖屑類型Fig.5 Lithic types of the low-permeability sandstone reservoirs in lower 8th member of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

不同骨架顆粒具有不同的硬度［1，6］。外力作用下，碎屑石英、剛性巖屑等硬度高的骨架顆粒，在升壓－降壓過程中可壓縮性小，應(yīng)力敏感性較弱。千枚巖、黑－白云母等柔性巖屑硬度低，在外力作用下，易形變破碎擠壓進入孔隙，還可能產(chǎn)生微細顆粒運移而堵塞喉道，使儲層滲透率明顯降低。實驗中選取了蘇10井2－85/128、蘇10井2－94/128樣品比較了柔性巖屑對應(yīng)力敏感性的影響(圖6)，蘇10井2－85/128樣品巖性為淺灰白色細粒含高嶺石巖屑石英砂巖。骨架顆粒中石英86%，剛性巖屑7%，柔性巖屑2%，原長石5%。長石溶?？住堄嗔ｉg孔先后被自生石英含晶間孔的高嶺石半充填，僅保留極少量的粒間殘余孔隙。蘇10井2－94/128樣品巖性為淺灰白色細粒巖屑石英砂巖，骨架顆粒中石英80%，柔性巖屑12%，其中3%黑、白云母屑，尤以白云母屑居多。原長石4%。溶?？准皻堄嗔ｉg孔同樣被自生石英和高嶺石充填，有0.5%粒間殘余微孔。上述兩個樣品巖性、剛性巖屑含量、粒度相似，僅柔性巖屑的含量存在較大差別，分別為2%和12%。兩個樣品在凈圍壓為2 MPa時初始滲透率分別為0.268×10－3和0.173 ×10－3μm2;加載圍壓至 40 MPa時相應(yīng)的滲透率依次降至初始滲透率的27.1%和7%，卸載圍壓至2 MPa時相應(yīng)的滲透率依次恢復(fù)至初始滲透率的79.9%和61.8%。應(yīng)力敏感性圖中也可以看出，圍壓從2 MPa加載到10 MPa過程中，蘇10井2－94/128樣品滲透率下降速度快于蘇10井2－85/128樣品。結(jié)果表明，蘇10井2－85/128樣品應(yīng)力敏感性明顯弱于蘇10井2－94/128樣品?？梢娙嵝詭r屑含量是骨架顆粒中控制應(yīng)力敏感性的重要因素。

3.2 填隙物與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系

區(qū)內(nèi)巖石填隙物分為基質(zhì)和膠結(jié)物兩類，基質(zhì)可細分為原基質(zhì)和假基質(zhì)。①原基質(zhì)以淺變質(zhì)巖系的絹云母為主，少量綠泥石和水云母。含量隨砂巖成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度增高而遞減，一般0～20%，巖屑砂巖中含量較高。(圖7a)。②假基質(zhì)以柔性巖屑為主，千枚巖屑等柔性巖屑在壓實過程中會發(fā)生不同程度的變形，部分擠入粒間孔成假基質(zhì)(圖5d)，同樣在巖屑砂巖分布較多。此外，膠結(jié)物成因差異較大，是孔隙水在成巖期于原生粒間孔隙及次生孔隙中沉淀而成，在純石英砂巖和石英砂巖中含量大，可高達20% ～30%，巖屑石英砂巖相對較少，一般10% ～20%，而巖屑砂巖中僅0～5%左右。膠結(jié)物類型以石英(圖7b)、鐵綠泥石襯邊膠結(jié)(圖7c)、高嶺石(圖7d)、連晶鐵方解石(圖7e)為主。

圖6 蘇里格－吉爾地區(qū)柔性巖屑含量不同的樣品應(yīng)力敏感性曲線及鑄體薄片F(xiàn)ig.6 Stress-sensitivity curves and cast thin section of samples with different content of soft debirs in Sulige－Jier area

圖7 蘇里格－吉爾地區(qū)盒下8亞段低滲砂巖儲層填隙物類型Fig.7 Thematrix types of the low-permeability sandstone reservoirs in the lower 8th member of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

填隙物的類型和含量既能影響巖石的本體變形也能影響巖石的結(jié)構(gòu)變形，其中基質(zhì)以泥質(zhì)原基質(zhì)或柔性巖屑假基質(zhì)為主，容易破碎變形，細小的顆粒易隨流體運動，可能會運移甚至堵塞喉道，其含量與應(yīng)力敏感性呈正相關(guān)，而主要以自生加大形式出現(xiàn)的石英硅質(zhì)、主要以環(huán)邊形式出現(xiàn)的鐵綠泥石、交代充填孔隙形式出現(xiàn)的連晶方解石等膠結(jié)物硬度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，含量越高，應(yīng)力敏感性反而越弱。區(qū)內(nèi)選取了5個含泥質(zhì)巖屑砂巖樣品、7個含硅質(zhì)巖屑砂巖樣品，在凈圍壓為2 MPa時滲透率為 0.107 ×10－3和 0.226 ×10－3μm2，凈圍壓增大至40 MPa時相應(yīng)的滲透率依次降至原來的4.86%和11.53%;由40 MPa降壓至2 MPa時相應(yīng)的滲透率依次恢復(fù)至原來的53.06%和63.21%，可見基質(zhì)含量高造成滲透率應(yīng)力損失明顯較強(表1)。

3.3 巖石類型與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系

4 結(jié)論

表1 蘇里格－吉爾地區(qū)盒下8亞段不同基質(zhì)含量砂巖與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系Table 1 Coupling relations between sandstone with different matrix content and stress-sensitivity in the lower 8th member of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

表2 蘇里格－吉爾地區(qū)盒下8亞段不同巖石類型的與應(yīng)力敏感性耦合關(guān)系Table 2 Coupling relations between rock types and stress-sensitivity in the lower 8th member of the Lower Shihezi Formation in Sulige-Jier area

2)本次應(yīng)力敏感性實驗分別選取了58個不同巖性的巖心樣品，滲透率平均值為0.295×10－3μm2，屬于低滲范圍。凈圍壓由2 MPa升至40 MPa時，巖心滲透率平均下降至初始滲透率的9.64%;當凈圍壓從40 MPa降壓至2 MPa后，滲透率平均值恢復(fù)至初始滲透率的63.48%，應(yīng)力敏感性中等偏強，初始滲透率與加載圍壓至40 MPa時相應(yīng)的滲透率/初始滲透率值、卸載圍壓至2 MPa時相應(yīng)的滲透率/初始滲透率值均呈明顯的正相關(guān)。

3)巖石樣品骨架顆粒中柔性巖屑以及填隙物中基質(zhì)等硬度低的巖石組分在外力作用下易變形、破碎、發(fā)生位移，其含量與應(yīng)力敏感性呈正相關(guān)。骨架顆粒中碎屑石英、剛性巖屑，填隙物中石英、鐵綠泥石、連晶方解石等硬度、穩(wěn)定性高的巖石組分在外力作用下變形弱，其含量與應(yīng)力敏感性呈負相關(guān)。巖石學(xué)特征差異間接導(dǎo)致區(qū)內(nèi)不同巖類具不同的應(yīng)力敏感性，巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、含硅質(zhì)石英砂巖應(yīng)力敏感性依次降低。在低滲油藏開發(fā)過程中，如果為提高油井產(chǎn)能而大幅度降低井底流壓，會使井底附近地層壓力快速降低，造成嚴重的壓力敏感性傷害。因此，在開發(fā)過程中針對不同巖類儲層可采用不同級別的生產(chǎn)壓差，協(xié)調(diào)產(chǎn)能與應(yīng)力敏感性的關(guān)系，精細化管理以求得油田的最優(yōu)產(chǎn)能。

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