松遼盆地扶新隆起帶北部扶余油層超低滲儲層粘土礦物特征及其對敏感性的影響

馬世忠，王海鵬，孫雨，呂品岐，滿維光

1)東北石油大學(xué),地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶,163318； 2)中國石油集團(tuán)測井有限公司生產(chǎn)測井中心，西安，710000

內(nèi)容提要: 以儲層敏感性流動實驗為基礎(chǔ)，結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡、鑄體薄片等方法，對松遼盆地扶新隆起帶北部扶余油層超低滲儲層粘土礦物特征及其對儲層敏感性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：扶余油層主要含有綠泥石、伊利石、高嶺石和伊/蒙混層等4種礦物，其中伊利石含量最多，綠泥石和伊/蒙混層次之，高嶺石最少。儲層速敏性和堿敏性相對較弱，水敏性和鹽敏性較強(qiáng)，對儲層影響較大，勘探開發(fā)時應(yīng)重點關(guān)注。粘土礦物對儲層水敏性的影響主要有3個方面，其中粘土礦物絕對總量是扶余油層水敏性強(qiáng)弱的主控因素。

近年來油氣田勘探與開發(fā)的實踐表明，儲層敏感性研究在油氣田勘探開發(fā)的全過程均有著彌足輕重的指導(dǎo)作用，尤其對儲層保護(hù)、提高油氣田產(chǎn)能、改善勘探開發(fā)效果及保持油氣田持續(xù)高效的開采等方面具有極其重要的意義(蔣凌志等，2009)。有關(guān)學(xué)者對儲層敏感性進(jìn)行了很多卓有成效的研究，其中，大量學(xué)者對敏感性傷害機(jī)理及控制因素等問題進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為儲層敏感性受粘土礦物、儲層物性、成巖作用、注入流體等多方面影響(張關(guān)龍等，2006a；李群等，2009；陳恭洋等，2010；鄧杰等，2011；成賽男等，2013)，部分學(xué)者還對儲層敏感性定性和定量預(yù)測進(jìn)行了很多有益探討(周鋒德等，2007；單華生等，2012)，但通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)所發(fā)表的敏感性方面的文獻(xiàn)存在兩個主要問題：① 所進(jìn)行的研究多是針對中高滲儲層及一般低滲儲層，對超低滲乃至致密儲層敏感性研究極少，與一般儲層相比，超低滲儲層非均質(zhì)性強(qiáng)(宋巖等，2006；王瑞飛等，2009)，孔喉微小，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物性較差，更容易遭受敏感性損害(王瑞飛等，2008；宋廣壽等，2009)；② 敏感性控制因素分析多涵蓋粘土礦物、物性、成巖作用等多個方面，對粘土礦物特征及其對敏感性影響進(jìn)行精細(xì)分析的文獻(xiàn)很少，而作為儲層敏感性傷害的最主要原因，粘土礦物特征精細(xì)剖析及其對敏感性影響的研究意義很大，應(yīng)得到更多關(guān)注和深入分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

扶新隆起帶是松遼盆地中央坳陷區(qū)一個正向二級構(gòu)造單元，它南部、西南部與長嶺凹陷相連,南毗華字井階地, 北臨三肇凹陷和古龍大安凹陷, 東接長春嶺—登婁庫背斜帶(孫雨等，2012)(圖1)(孫雨，2010)。研究區(qū)位于扶新隆起帶北部西坡，是松遼盆地南部較為重要的勘探開發(fā)區(qū)之一，主要開發(fā)層位是泉四段扶余油層，埋藏深度在1300～1850m之間。扶余油層沉積體系以大型河控淺水三角洲為主，大面積錯疊連片分布的分流河道砂體是其主要儲集砂體(孫雨等，2010)，儲層處于中成巖A期(胡海燕等，2007)，成巖作用類型多樣，其中壓實強(qiáng)度為中—強(qiáng)壓實，接觸關(guān)系以線接觸和點—線接觸為主，膠結(jié)強(qiáng)度為中—強(qiáng)膠結(jié)，膠結(jié)類型多為再生—孔隙膠結(jié)和薄膜—孔隙膠結(jié)，巖性主要為巖屑質(zhì)長石砂巖，含少量長石質(zhì)巖屑砂巖，孔隙度范圍為1.81%～14.2%，平均值為8.9%，滲透率范圍為0.01×10-3～12.03×10-3μm2，平均值為0.39×10-3μm2，總的來說研究區(qū)儲層成巖作用強(qiáng)烈，物性極差，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于特低孔、超低滲儲層。

圖1 松遼盆地扶新隆起帶區(qū)域位置圖 (據(jù)孫雨，2010改繪)Fig. 1 Regional location of the Fuxin uplift, Songliao Basin (modified after Sun Yu，2010)

近年來，該區(qū)已有多個區(qū)塊相繼投入開發(fā)，揭示了很好的成藏條件及含油氣前景，但目前的地質(zhì)認(rèn)識相對不足，已不能滿足油田勘探、開發(fā)的需要，產(chǎn)能普遍較低，因此急需提升對儲層特征的認(rèn)識，而儲層敏感性研究對于儲層勘探與開發(fā)都有很好的指導(dǎo)意義，更應(yīng)進(jìn)行深入研究。本文致力于超低滲儲層粘土礦物特征及其對儲層敏感性影響的精細(xì)研究，以便為該區(qū)及其他超低滲油藏的儲層保護(hù)和科學(xué)高效的勘探開發(fā)提供必要依據(jù)和一定借鑒。

表1 松遼盆地扶新隆起扶余油層粘土礦物XRD分析結(jié)果Table 1 XRD results of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin

2 粘土礦物特征

2.1 粘土礦物類型、含量及分布規(guī)律

通過X射線衍射、掃描電鏡、鑄體薄片等方法對新229-4-14、廟124-2-1等10口井71個粘土礦物樣品進(jìn)行了分析(表1)，結(jié)果表明扶余油層粘土礦物含量偏多，絕對總量范圍為2.61%～25.8%，平均值為7.6%，主要由綠泥石(C)、伊利石(I)、高嶺石(K)和伊/蒙混層(I/S)等4種礦物組成，其中伊利石含量最多，相對含量為36.8%，綠泥石和伊/蒙混層次之，相對含量分別為23.8%和20.2%，高嶺石最少，相對含量為19.3%，伊/蒙混層比為18.4%。

該區(qū)粘土礦物平面分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，各井粘土礦物絕對總量及各類型礦物相對含量均有很大差異，分區(qū)性明顯(圖2)。研究區(qū)北部和中部地區(qū)粘土礦物含量相對較多，其中，中部地區(qū)粘土礦物以含大量高嶺石為主要標(biāo)志，高嶺石相對含量多在40%左右，北部地區(qū)粘土礦物以伊利石為主，相對含量普遍在50%以上，伊/蒙混層次之，相對含量在25%左右。南部地區(qū)粘土礦物含量明顯較少，絕對總量基本在5%以下，缺失高嶺石，綠泥石含量明顯增多。分析認(rèn)為，扶余油層沉積體系以大型河控淺水三角洲為主，沉積微相類型多樣，砂體切疊嚴(yán)重，平面非均質(zhì)性較強(qiáng)，因而粘土礦物平面分布的較強(qiáng)非均質(zhì)性可能也是扶余油層沉積體系復(fù)雜性的重要反映。

圖2 松遼盆地扶新隆起扶余油層粘土礦物平面分布Fig. 2 Horizontal distribution of clay mineral in the Fuyu oil layer of Fuxin uplift, Songliao Basin

圖3 松遼盆地扶新隆起扶余油層粘土礦物垂向分布Fig. 3 Vertical distribution of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin

扶余油層粘土礦物垂向分布規(guī)律相對較好(圖3)，隨埋深增加，伊/蒙混層、綠泥石和高嶺石相對含量都呈下降趨勢，伊利石相對含量不斷增加，這揭示隨埋深增大，扶余油層成巖作用強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石等礦物變得不穩(wěn)定，從而向更穩(wěn)定的伊利石等礦物轉(zhuǎn)化(閆相賓等，2002；朱如凱等，2007)。高嶺石含量隨深度的變化規(guī)律相對復(fù)雜，含量普遍較低，整體呈下降趨勢，其中在1450～1600m區(qū)間出現(xiàn)明顯高值。

2.2 粘土礦物特征

粘土礦物產(chǎn)狀對粘土礦物的穩(wěn)定性有很大影響，同時其在孔喉內(nèi)的分布位置也在一定程度上影響著粘土礦物膨脹及分散運(yùn)移后對儲層滲透性的損害大小(張關(guān)龍等，2006b；付正等，2008)。利用掃描電鏡對儲層內(nèi)的粘土礦物產(chǎn)狀特征和分布位置進(jìn)行研究表明，四類礦物在孔喉內(nèi)的分布位置無明顯差異，但產(chǎn)狀特征差異較大，這也影響著各類礦物對儲層敏感性影響的差異。

伊利石主要呈絲發(fā)狀、針葉狀、不規(guī)則片狀及絮狀等產(chǎn)狀貼附于顆粒表面或充填于粒間孔隙，部分伊利石在孔隙內(nèi)形成粘土搭橋結(jié)構(gòu)(圖4a、4b)。其中，針葉狀、不規(guī)則片狀及絮狀伊利石在孔隙中交替分布把原始孔隙分割成大量微細(xì)孔隙，增加了孔喉迂曲度，極大地降低了儲層滲透率；絲發(fā)狀伊利石在外來流體的沖擊作用下容易被沖斷帶走，堵塞孔隙和吼道，降低滲透率，因此伊利石是速敏性的重要因素。此外，伊利石遇到低礦化度流體后也會發(fā)生一定程度的水化膨脹，縮小或堵塞孔喉，導(dǎo)致儲層發(fā)生水敏、鹽敏傷害。

綠泥石主要呈針葉狀充填在孔隙中或貼附于顆粒表面(圖4c)，部分呈絨球狀存在，在孔隙中的膠結(jié)方式有孔隙襯墊孔隙充填，并且多見石英、伊利石和綠泥石共生。針葉狀綠泥石多呈孔隙襯墊膠結(jié)貼附于顆粒表面，少量充填于粒間孔道，而絨球狀綠泥石僅在顆粒表面有少量發(fā)現(xiàn)。綠泥石可由黑云母、角閃石、蒙脫石等礦物轉(zhuǎn)化而來，自生綠泥石一般富含高價鐵離子，與鹽酸等酸液作用易產(chǎn)生氫氧化鐵膠體沉淀，導(dǎo)致儲層滲透率下降，是儲層酸敏性因素之一。

圖4 松遼盆地扶新隆起扶余油層粘土礦物掃描電鏡特征Fig. 4 SEM characteristics of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin (a) 絲發(fā)狀伊利石貼附粒表，×1600 (新229-4-14井，1471.88m)；(b) 粒間孔道中伊利石粘土搭橋，×1800 (新229-4-14井，1497.49m)；(c) 針葉狀綠泥石充填粒間孔隙，×2000(新229-4-14井，1491.31m)；(d) 粒間充填書頁狀高嶺石，×2880(廟114井，1522.43m)；(e) 粒間棉絮狀伊蒙混層，×735(嫩2井，1743.85m)；(f) 蜂窩狀伊蒙混層，×2700(嫩2井，1743.85m) (a) Silk-liked illite attached particleTable，×1600(XIN229-4-14，1471.88m); (b) Intergranular pores illite clay bypass，×1800 (XIN229-4-14，1497.49m); (c) Needle-liked chlorite filling intergranular porosity，×2000(XIN229-4-14，1491.31m); (d) Page-liked kaolinite filling intergranular，×2880(MIAO114，1522.43m); (e) Intergranular cotton wool illite/smectite mixed layer，×735(NEN2，1743.85m); (f) Honeycomb illite/smectite mixed layer，×2700(NEN2，1743.85m)

高嶺石是長石和其他硅酸鹽礦物天然蝕變的產(chǎn)物，多呈書頁狀、疊片狀充填于粒間孔隙(圖4d)。高嶺石對碎屑顆粒的附著力及高嶺石間的結(jié)合力都很弱，在外來流體的沖擊作用下極易發(fā)生分散運(yùn)移，堵塞或分割孔喉，是儲層速敏傷害的主要因素。此外，高嶺石也易與堿性流體作用，產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致儲層滲透率下降。

伊/蒙混層是最常見的粘土礦物混合類型，是蒙皂石向伊利石過渡的產(chǎn)物，兼具蒙皂石和伊利石的儲層特點，多呈棉絮狀、蜂窩狀、半蜂窩狀等產(chǎn)狀充填于孔隙或貼附于粒表(圖4e、4f)，吸水性較強(qiáng)，從而導(dǎo)致粘土礦物水化膨脹，堵塞孔喉降低儲層滲透率，是儲層水敏性影響因素之一。

3 粘土礦物對儲層敏感性的影響

對廟124-2-1、廟125-7-1、廟24-38、新229-4-14等4口井20個樣品分別進(jìn)行了水敏性(8塊)、速敏性(5塊)、鹽敏性(4塊)、堿敏性(3塊)流動實驗，并依據(jù)國家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5358-2010)對各樣品實驗結(jié)果進(jìn)行了敏感性評價(表2)。結(jié)果表明，扶余油層儲層速敏性較弱，堿敏性為中等偏弱，這兩類敏感性傷害對儲層影響較小，究其原因，主要有以下三方面：① 儲層較強(qiáng)的成巖作用(尤其是膠結(jié)作用)是兩類敏感性較弱的主要原因；② 整體較差的孔隙結(jié)構(gòu)對兩類敏感性有一定抑制作用；③ 高嶺石含量相對較少，使儲層發(fā)生速敏和堿敏傷害的物質(zhì)基礎(chǔ)不夠充分。鹽敏性和水敏性相對較強(qiáng)，對儲層傷害較大，勘探開發(fā)時應(yīng)重點關(guān)注。鑒于儲層速敏和堿敏較弱，且鹽敏傷害機(jī)理及影響因素與水敏相似，因此從實際應(yīng)用考慮，本文只對粘土礦物對水敏性的影響進(jìn)行單獨研究。

表2 松遼盆地扶新隆起扶余油層敏感性實驗評價表Table 2 Sensitivity experimental evaluationTable of the Fuyu oil layer in the Fuxin uplift, Songliao Basin

儲層水敏性指外來流體進(jìn)入地層后，引起粘土礦物水化膨脹、分散運(yùn)移，縮小或堵塞孔喉，導(dǎo)致滲透率下降、儲層傷害的現(xiàn)象(邱隆偉等，2009；王學(xué)武，2010)。作為儲層水敏傷害的重要因素，粘土礦物類型、含量、產(chǎn)狀、分布位置等多方面特征對儲層水敏性強(qiáng)弱都有影響。研究表明，扶余油層超低滲儲層粘土礦物對水敏性的影響主要有以下3個方面。

3.1 粘土礦物絕對總量是水敏性強(qiáng)弱的主控因素

粘土礦物是儲層產(chǎn)生水敏傷害最主要的物質(zhì)基礎(chǔ)，扶余油層含有綠泥石、伊利石、高嶺石和伊/蒙混層等4種粘土礦物，前人研究表明，4種粘土礦物均具有一定的遇水膨脹性(王風(fēng)華，2007；邱隆偉等，2009)，因此粘土礦物絕對總量對儲層水敏性大小會有一定影響。剖析廟125-7-1井S25、S30兩個樣品(中等偏弱水敏)和廟124-2-1井5號樣品(強(qiáng)水敏)，對比發(fā)現(xiàn)，廟125-7-1井兩個樣品粘土礦物絕對總量分別為5.26%和4.21%，而廟124-2-1井5號樣品粘土礦物絕對總量高達(dá)12.88%，兩口井樣品的粘土礦物絕對總量差異明顯，四類粘土礦物(主要是伊/蒙混層礦物)相對含量有一定差異但不大，因此推斷認(rèn)為粘土礦物絕對總量的差異是兩口井樣品水敏性差異的主要原因。從扶余油層粘土礦物平面分布圖上看(圖2)，粘土礦物絕對總量與水敏性強(qiáng)弱之間也有很好的相關(guān)性，中部粘土礦物含量高值區(qū)樣品水敏性較強(qiáng)，南部低值區(qū)樣品水敏性較弱，粘土礦物絕對總量對水敏性平面控制作用明顯。這表明粘土礦物絕對總量不僅是儲層水敏性強(qiáng)弱的主要控制因素，其平面分區(qū)性也是水敏強(qiáng)弱分區(qū)性的最重要原因。

圖5 粘土礦物相對含量與水敏指數(shù)關(guān)系圖Fig. 5 Diagram of relative content of clay minerals and water sensitive index

3.2 粘土礦物類型及相對含量對水敏性有重要影響

據(jù)前述研究，扶余油層含有的四類粘土礦物因其產(chǎn)狀特征的差異而對儲層敏感性產(chǎn)生不同程度的影響，伊/蒙混層礦物主要呈棉絮狀、蜂窩狀、半蜂窩狀等產(chǎn)狀，該產(chǎn)狀礦物較大的比表面積增加了其遇水膨脹的幾率，使其對儲層水敏性的影響較大，高嶺石、伊利石和綠泥石三類礦物比表面積相對較小，遇水膨脹幾率降低，對儲層水敏性的影響也較小。此外，四類粘土礦物遇水膨脹率也有很大差異，參考徐同臺等2003年(徐同臺等，2003)對各類粘土礦物膨脹率的研究，扶余油層四類礦物中伊/蒙混層礦物膨脹率最大，16h膨脹率約為23.25%，高嶺石和伊利石次之，16h膨脹率分別為10%和9.17%，綠泥石膨脹率最小。利用8個水敏樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)編制的水敏指數(shù)和粘土礦物相對含量關(guān)系圖(圖5)表明，伊/蒙混層和高嶺石相對含量與水敏指數(shù)呈正比關(guān)系，綠泥石和伊利石相對含量與水敏指數(shù)呈反比關(guān)系，這表明膨脹率較大的粘土礦物相對含量越多儲層水敏傷害越強(qiáng)。因此可認(rèn)為粘土礦物類型及相對含量對儲層水敏性強(qiáng)弱有重要影響。

3.3 粘土礦物分布于孔隙結(jié)構(gòu)不同的儲層對水敏性有一定影響

粘土礦物水化膨脹是儲層水敏傷害的主因，顆粒分散運(yùn)移帶來的影響相對較小，同時由于扶余油層成巖作用強(qiáng)烈，顆粒間膠結(jié)緊密不易發(fā)生分散運(yùn)移，因此，粘土礦物所在的儲層孔隙結(jié)構(gòu)情況就很大程度上控制了礦物水化膨脹后對儲層水敏傷害的大小，當(dāng)粘土礦物位于孔隙結(jié)構(gòu)較差的儲層時，因儲層孔喉細(xì)小且連通性差，粘土礦物水化膨脹后更容易堵塞孔喉，對滲透率影響較大，從而造成嚴(yán)重的水敏傷害。解剖有常規(guī)壓汞數(shù)據(jù)的廟24-38、廟125-7-1、新229-4-14等3口井7個樣品也證實，粘土礦物所在儲層的孔隙結(jié)構(gòu)不同時對水敏性有一定影響(表3，圖6)，同一口井不同樣品間粘土礦物含量差異較小，水敏傷害程度受儲層孔隙結(jié)構(gòu)影響相對較大，隨孔隙結(jié)構(gòu)變差水敏性逐漸增強(qiáng)，基本無不符現(xiàn)象。不同井樣品間水敏強(qiáng)弱與孔隙結(jié)構(gòu)有不符現(xiàn)象，例如廟24-38井7-1、4-3兩個樣品和廟125-7-1井S25、S30兩個樣品孔隙結(jié)構(gòu)差異不大，但兩口井水敏性差異顯著，分析發(fā)現(xiàn)，廟24-38井兩個樣品粘土礦物含量較高(8.85%和8.42%)，而廟125-7-1井兩個樣品粘土礦物含量明顯較少(5.26%4.21%)，粘土礦物含量的較大差異是兩口井水敏強(qiáng)度差異的主要原因，導(dǎo)致儲層孔隙結(jié)構(gòu)對水敏性的影響不夠明顯。因此認(rèn)為，粘土礦物所在儲層的孔隙結(jié)構(gòu)對水敏性有一定影響，但相比粘土礦物含量其影響明顯較弱。

表3 水敏樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Pore structure parameters of water sensitive samples

圖6 水敏樣品毛管壓力曲線Fig. 6 Capillary pressure curve of water sensitive samples

4 結(jié)論

(1)扶余油層主要含有綠泥石、伊利石、高嶺石和伊/蒙混層等4種礦物，其中伊利石含量相對較多，綠泥石和伊/蒙混層次之，高嶺石最少。四種礦物的產(chǎn)狀特征有很大差異，這也一定程度上決定了四類礦物對儲層敏感性有不同的影響。

(2)粘土礦物平面分布具有明顯分區(qū)性，中部和北部地區(qū)粘土礦物含量較多，其中，中部地區(qū)以含大量高嶺石為主要標(biāo)志，北部地區(qū)則以伊利石為主，南部地區(qū)粘土礦物含量明顯較少，且缺失高嶺石，綠泥石的含量明顯增多。

(3)扶余油層儲層速敏性較弱，堿敏性中等偏弱，這兩類敏感性傷害對儲層影響相對較小，水敏性和鹽敏性中等偏強(qiáng)，對儲層傷害較大，因此勘探開發(fā)時應(yīng)重點關(guān)注儲層水敏和鹽敏傷害。

(4)粘土礦物絕對總量是扶余油層水敏性強(qiáng)弱的主要控因，同時其平面分區(qū)性也是水敏強(qiáng)弱平面分區(qū)性的最重要原因。粘土礦物類型及相對含量對儲層水敏性有重要影響，膨脹率較大的粘土礦物相對含量越多儲層水敏傷害越強(qiáng)。粘土礦物分布于不同孔隙結(jié)構(gòu)的儲層對水敏性也有一定影響，當(dāng)粘土礦物含量差異不大時儲層孔隙結(jié)構(gòu)對水敏性的影響相對明顯。