鄂爾多斯盆地陜北地區(qū)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)

王玉霞, 周立發(fā), 焦尊生，尚慶華，黃生旺

1.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 710069 2.陜西省能源化工研究院，西安 710069 3.懷俄明大學(xué)能源學(xué)院，美國懷俄明州拉勒米 82071 4.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國致密砂巖油藏分布的典型代表區(qū)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1]，截止2015年底，陜北地區(qū)中生界已探明石油儲(chǔ)量為54.6億t，其中70%以上的油氣資源賦存在延長(zhǎng)組致密砂巖中。油氣藏投入開發(fā)后，致密砂巖儲(chǔ)層由于其超低的孔滲、多樣化的礦物組成、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)[2-4]，使儲(chǔ)層與外來流體相互作用或地層壓力狀態(tài)發(fā)生改變，并引起儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的敏感性變化，進(jìn)而導(dǎo)致油層產(chǎn)能不同程度地被損害[5]。所以，鄂爾多斯盆地陜北地區(qū)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。然而，長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層作為陜北地區(qū)主力產(chǎn)油層之一，至今尚未見系統(tǒng)的儲(chǔ)層敏感性研究。本文選取陜北地區(qū)某油田長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層巖樣，在儲(chǔ)層物性、巖石學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上，基于大量的天然巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，開展儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)研究。這不僅為該區(qū)油氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)，也可為同類油藏提供借鑒參考。

1 儲(chǔ)層基本特征

1.1 巖石學(xué)特征

儲(chǔ)層巖石類型、礦物組成等影響著儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層物性[6-7]。研究區(qū)長(zhǎng)4+5致密砂巖儲(chǔ)層具長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)中等的特點(diǎn)，且?guī)r屑主要為變質(zhì)巖屑和云母類。巖石類型為細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖；磨圓度以次棱角狀為主，分選較差；成分成熟度偏低，結(jié)構(gòu)成熟度為中等。

利用X射線衍射物相分析技術(shù)對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)4+5巖樣進(jìn)行物相定量檢測(cè)(圖1)。檢測(cè)結(jié)果顯示：研究區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層斜長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均為51.64%；石英和正長(zhǎng)石次之，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.34%、13.87%；且含有酸敏礦物鐵白云石以及少量黏土礦物。所含黏土礦物主要有綠泥石、高嶺石、伊利石、綠/蒙混層和少量的伊/蒙混層。綠泥石平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.39%；高嶺石平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.10%；伊利石平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.05%；無蒙脫石，蒙脫石主要以綠/蒙混層和伊/蒙混層的形式存在；綠/蒙混層相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.00%～21.00%，平均為12.59%；伊/蒙混層相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，平均為2.87%。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)特征可從微觀上反映儲(chǔ)層孔隙與喉道的幾何形態(tài)、大小、分布及相互連通情況。研究區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層孔隙類型有粒間孔、長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔、晶間孔、雜基溶孔和微裂隙，以粒間孔為主，其次為長(zhǎng)石溶孔和巖屑溶孔(圖2)。

通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察，陜北地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層砂巖顆粒之間接觸關(guān)系以點(diǎn)至線狀為主；膠結(jié)類型以孔隙至薄膜型為主；喉道以片狀細(xì)喉道為主。

壓汞資料分析表明，研究區(qū)長(zhǎng)4+5油層排驅(qū)壓力為0.22～0.49 MPa，喉道中值半徑平均為0.55 μm，喉道分選好，分選系數(shù)為2.79，孔隙直徑為10.00～100.00 μm，平均為55.7 μm，屬中孔細(xì)喉型孔喉組合。

典型壓汞毛管力曲線(圖3)形態(tài)整體靠近右上方，且呈現(xiàn)出明顯的起始“垂直上升期”和中部“爬坡期”。此特征說明研究區(qū)儲(chǔ)層孔道大小分布不集中，分選差，偏于細(xì)歪度，且在東部地區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)較好，向西變差。

a.礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù); b. 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖1 研究區(qū)X射線衍射物相定量分析Fig.1 X-ray diffraction phase quantitative analysis in the study area

圖2 陜北地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層孔隙類型Fig.2 Pore types of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

圖3 陜北地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層典型毛管壓力曲線Fig.3 Typical capillary pressure curves of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

1.3 物性特征

研究區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層100余塊巖心分析資料顯示，儲(chǔ)層滲透率集中為(0.10～1.00)×10-3μm2, 平均滲透率0.41×10-3μm2；孔隙度集中為8.0%～12.0%，平均11.2%。從巖樣滲透率、孔隙度分布圖(圖4)中可以看出，滲透率與孔隙度無明顯的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系，即滲透率受孔隙度控制作用不明顯[8]，這是致密儲(chǔ)層的物性特征。引起此變化的主要原因在于研究區(qū)巖樣喉道半徑較小，且分布范圍較窄。致密儲(chǔ)層中喉道是控制儲(chǔ)層滲透性能的主因[9]。

圖4 陜北地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層孔滲參數(shù)分布Fig.4 Porosity and permeability distribution of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

2 儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)

據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358-2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》[10]對(duì)儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)所用流體均為按地層流體分析結(jié)果進(jìn)行配置的模擬油、模擬地層水。所用巖樣均為研究區(qū)不同取樣井的長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層天然巖樣。

2.1 流速敏感性

流體以一定的速度流經(jīng)儲(chǔ)層時(shí)，必然會(huì)引起儲(chǔ)層顆粒的運(yùn)移，進(jìn)而堵塞孔隙吼道，造成儲(chǔ)層滲透能力下降[11-12]。速度不同，引發(fā)的滲透率損害程度不同。一般用巖樣的速敏損害率(Dv)來表征其滲透能力的損壞程度。 若不同流速下巖樣的滲透率損害率(Dvn)為

(1)

則Dv=(Dv1,Dv2,Dv3，...，Dvn)max×100%。

(2)

式中：Kn為巖樣滲透率(不同流速下測(cè)得)，10-3μm2；Ki為初始滲透率，10-3μm2。

速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)表明，巖樣的速敏損害率近50%，屬于中等偏強(qiáng)。且損害程度與巖心初始滲透率密切相關(guān)。初始滲透率越低，其損害程度越高。以Dvn超過20%(滲透率比值低于80%)時(shí)的上一實(shí)驗(yàn)流速作為該巖樣在此實(shí)驗(yàn)條件下的臨界流速，本次速敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的臨界流速為1.0 mL/min。

圖5 速敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 Velocity sensitivity experiment curve

2.2 水敏感性

當(dāng)注入流體礦化度較低時(shí)易引起黏土礦物的水化、膨脹、分散和運(yùn)移，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透性能下降。表征巖樣的水敏感性的參數(shù)為水敏損害率(Dw):

(3)

式中，Kw為巖樣經(jīng)蒸餾水測(cè)得滲透率，10-3μm2。

水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖6)表明，巖樣的水敏損害率近40%，反映該區(qū)致密儲(chǔ)層的水敏性屬中等偏弱。

PV為注入流體總量占巖樣孔隙體積的倍數(shù)的單位。圖6 水敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Water sensitivity experiment curve

2.3 鹽度敏感性

當(dāng)注入流體礦化度與地層流體不配伍時(shí)易引起黏土顆粒的分散、運(yùn)移，由此改變流體滲流通道，進(jìn)而降低儲(chǔ)層滲透性能。表征巖樣的鹽敏感性的參數(shù)為鹽敏損害率(Dsn):

(4)

式中，Ksn為不同礦化度鹽水測(cè)得滲透率，10-3μm2。

由于該區(qū)巖樣水敏損害率超過20%，具中等偏弱水敏，所以必須進(jìn)行鹽度降低敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，以保證鹽敏損害程度的對(duì)比基數(shù)是相對(duì)準(zhǔn)確的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7)表明，隨注入流體礦化度降低，巖樣的滲透率降低。以鹽敏損害率大于20%時(shí)的上一實(shí)驗(yàn)流體礦化度作為該巖樣在此實(shí)驗(yàn)條件下的臨界礦化度，本次鹽敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的臨界礦化度為8 500 mg/L。

圖7 鹽敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Salt sensitivity experiment curve

2.4 酸敏感性

當(dāng)注入流體呈酸性時(shí)，易與儲(chǔ)層或地層流體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀或使儲(chǔ)層礦物顆粒脫落，最終導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率發(fā)生變化。一般用巖樣的酸敏損害率(Dac)來表征其滲透能力的損壞程度：

(5)

式中，Kacd為酸液處理后滲透率，10-3μm2。

酸敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖8)顯示，由于實(shí)驗(yàn)樣品的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其酸敏損害率分別為-46%、11%和6%，表現(xiàn)出的酸敏強(qiáng)度為無酸敏到弱酸敏。

圖8 酸敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.8 Acid sensitivity experiment curve

2.5 堿敏感性

注入流體呈堿性時(shí)，與儲(chǔ)層及地層流體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀或使儲(chǔ)層礦物顆粒脫落，堵塞孔隙吼道，最終導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透能力發(fā)生變化。一般用巖樣的堿敏損害率(Dal)來表征其滲透能力的損壞程度。若不同pH值堿液下巖樣的滲透率損害率(Daln)為

(6)

則Dal=(Dal1,Dal2,Dal3，...，Daln)max×100%。

(7)

式中，Kaln為不同pH值堿液下測(cè)得巖樣滲透率，10-3μm2。

堿敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖9)表明，初始滲透率為0.630×10-3、0.222×10-3、0.160×10-3μm2的3塊巖樣的堿敏損害率分別為10.0%、23.4%和23.8%，屬于弱堿敏性。且損害程度與巖心初始滲透率密切相關(guān)。初始滲透率高，其損害程度弱。以Dal超過20%時(shí)的上一實(shí)驗(yàn)流體pH值作為該巖樣在此實(shí)驗(yàn)條件下的臨界pH值，本次堿敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的臨界pH值為8.5。

圖9 堿敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.9 Alkali sensitivity experiment curve

2.6 壓力敏感性

油田投入開發(fā)后，地層壓力將發(fā)生變化，作用于儲(chǔ)層顆粒的有效應(yīng)力隨之改變，并引起儲(chǔ)層巖石顆粒的不可逆微變形，最終導(dǎo)致滲透率發(fā)生變化[13-14]。通過巖樣的壓敏損害率(Dst)來表征儲(chǔ)層的壓力敏感性強(qiáng)度。若不同凈應(yīng)力下的壓敏損害率(Dstn)為

(8)

則Dst=(Dst1,Dst2,Dst3,...,Dstn)max×100%。

(9)

式中，Kstn為不同凈應(yīng)力下的巖樣滲透率，10-3μm2。

本次實(shí)驗(yàn)采取圍壓變化方式來進(jìn)行不同凈應(yīng)力模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖10)顯示，4塊巖樣的壓敏損害率為24%～91%，而致密巖樣壓敏損害率均在75%以上，屬強(qiáng)壓敏性。隨著凈上覆壓力的增加，所有巖樣的滲透率均下降，且下降幅度“先大后小”。另外，壓敏性與巖心滲透率有必然聯(lián)系。滲透率高，其壓力敏感性弱；反之，壓力敏感性強(qiáng)。因此，對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層的壓力管理顯得尤為重要。

圖10 壓敏實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10 Pressure sensitivity experiment curve

3 儲(chǔ)層敏感性形成機(jī)理

儲(chǔ)層敏感性主要受控于儲(chǔ)層巖石礦物組成、孔喉結(jié)構(gòu)以及流體性質(zhì)。從儲(chǔ)層基本特征出發(fā)，結(jié)合敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析敏感性形成機(jī)理。

3.1 速敏形成機(jī)理

引起研究區(qū)儲(chǔ)層速敏的內(nèi)在因素主要包括黏土礦物和孔喉分布。

X衍射物相分析得出該區(qū)黏土填隙物有伊利石、高嶺石、綠泥石、綠/蒙混層和少量的伊/蒙混層；而由不穩(wěn)定組分——長(zhǎng)石溶蝕形成的副產(chǎn)物高嶺石(圖11a、b)，由于其晶片間靠分子鍵連接，連接力較弱。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，顆粒容易被流體沖刷、運(yùn)移，易運(yùn)移的顆粒物加之半徑較小的喉道，將比較容易形成橋堵，引起儲(chǔ)層速敏。而綠泥石(圖11c、d)、綠/蒙混層等與碎屑顆粒鏈接較強(qiáng)且不易發(fā)生遷移[15-16]，則不會(huì)引起速敏。

3.2 水敏及鹽敏形成機(jī)理

黏土礦物以及儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)是陜北地區(qū)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層水敏及鹽敏的主控因素。水敏是由于黏土礦物遇水膨脹引起；而鹽敏除了水化膨脹堵塞吼道外，礦化度改變引起的儲(chǔ)層流體離子強(qiáng)度突變同樣也會(huì)造成蒙皂石、伊/蒙混層礦物的擴(kuò)散運(yùn)移。黏土礦物的膨脹能力由強(qiáng)至弱依次為：蒙脫石、伊/蒙混層、綠/蒙混層，而綠泥石、伊利石的膨脹性很弱，高嶺石遇水不膨脹[16]。

根據(jù)黏土礦物組成分析結(jié)果(圖12)，得出造成該區(qū)儲(chǔ)層水敏及鹽敏的主要因素是綠/蒙混層及伊/蒙混層礦物的存在。值得提及的是，該研究區(qū)儲(chǔ)層黏土絕對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～2.6%，這也是巖樣水敏性相對(duì)較弱的原因。

3.3 酸敏形成機(jī)理

研究區(qū)巖樣顯示無酸敏到弱酸敏，分析認(rèn)為主要是由于引起酸敏的礦物成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同造成的。3組實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生弱酸敏的2組巖樣的成分中酸敏礦物鐵白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.33%和1.55%，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.08%和1.16%(其中主要酸敏礦物綠泥石(圖11c、d)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占70.00%和76.00%)；而未表現(xiàn)出酸敏的巖樣成分中不含酸敏礦物鐵白云石，且其黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于前兩者，為0.81%(其中綠泥石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占60.00%)。另外，未表現(xiàn)出酸敏的巖樣中的方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.53%，明顯高于發(fā)生酸敏的2組巖樣中方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%和0.45%)。通常情況下，方解石與酸反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生一次沉淀，因此分析認(rèn)為前述未表現(xiàn)出酸敏巖樣的溶蝕作用大于堵塞作用，滲透率反而得到了提高。

a.長(zhǎng)石顆粒被溶蝕；b.粒間孔隙中充填高嶺石; c. 粒間充填綠泥石；d. 顆粒表面附綠泥石。圖11 陜北地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.11 Scanning electron microscopy (sem) images of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

圖12 具水化膨脹能力的黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.12 Relative contents of clay minerals of hydration swelling capacity

回壓不變，圍壓pc(a)

對(duì)于研究區(qū)巖樣發(fā)生酸敏的機(jī)理，主要是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境下，鐵白云石和綠泥石等酸敏礦物中的Fe3+會(huì)逐漸析出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)境的酸性減弱，而OH-質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，加大了Fe3+與OH-的反應(yīng)機(jī)會(huì)，最終生成Fe(OH)3膠體沉淀堵塞喉道，造成儲(chǔ)層傷害。

3.4 堿敏形成機(jī)理

堿敏形成機(jī)制主要源于堿液對(duì)石英、長(zhǎng)石以及黏土礦物等不穩(wěn)定礦物的溶解作用[14]。溶解作用產(chǎn)生的硅、鋁在堿性環(huán)境中以膠體或顆粒的形式沉淀在孔喉處，對(duì)儲(chǔ)層滲透率產(chǎn)生影響。除此，堿度過高的注入液使大量的OH-依附于黏土礦物表面，增加礦物晶體層間斥力，將誘發(fā)黏土礦物水化分散、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，大大增加顆粒堵塞儲(chǔ)層孔道的可能性。

3.5 壓敏形成機(jī)理

研究區(qū)致密儲(chǔ)層具有極其復(fù)雜的孔喉結(jié)構(gòu)以及極易受壓變形的片狀喉道，加上巖石礦物中云母、黏土等塑性礦物的存在，是造成其具有壓力敏感性的主要原因。其壓敏程度主要依賴于孔喉結(jié)構(gòu)、巖石組分及外界壓力。本次實(shí)驗(yàn)以定回壓(pb)、變圍壓(pc)的方式進(jìn)行。則巖樣的有效應(yīng)力(peff)為：peff=pc-pb。圍壓越大，巖樣的有效應(yīng)力也越大。研究發(fā)現(xiàn)，隨有效應(yīng)力的增大，顆粒間相對(duì)位置發(fā)生變化，喉道收縮變形，同時(shí)塑性礦物被擠壓變形，甚至破碎[16](圖13)，最終導(dǎo)致大量的孔喉被堵塞，引起滲透能力的下降。

4 結(jié)論

1)陜北地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5致密儲(chǔ)層的敏感性主要表現(xiàn)為：中等偏強(qiáng)速敏、中等偏弱水敏、無酸敏到弱酸敏、弱堿敏、強(qiáng)壓敏。3個(gè)特征臨界值為：臨界流速1.0 mL/min、臨界礦化度8 500 mg/L、臨界pH值為8.5。

2)礦物組成及孔喉結(jié)構(gòu)特征是陜北地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5致密儲(chǔ)層產(chǎn)生敏感性的主控內(nèi)在因素。其中，長(zhǎng)石溶蝕形成的副產(chǎn)物高嶺石極易發(fā)生運(yùn)移，是引起儲(chǔ)層速敏的主要原因；伊/蒙混層、綠/蒙混層的存在是造成儲(chǔ)層水敏和鹽敏的主要因素，而較低的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)又決定了其水敏性不強(qiáng)；鐵白云石和綠泥石等酸敏礦物是引起儲(chǔ)層酸敏的主要礦物成分，而方解石的存在一定程度上抵消了酸敏造成的儲(chǔ)層傷害；孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，片狀喉道受壓易變形，加上云母、黏土等塑性礦物的存在是造成儲(chǔ)層具有強(qiáng)壓敏的主要原因。