儲(chǔ)層水敏系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法與水敏機(jī)理研究

吳 廣，趙海建，白 冰，張 博，王春林

1中海油田服務(wù)股份有限公司，天津

2中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

1.引言

在油氣開發(fā)過程中，儲(chǔ)層不可避免會(huì)與外來流體接觸，由于這些外來流體與儲(chǔ)層中的原有流體以及礦物如黏土、碳酸鹽巖礦物等性質(zhì)存在差異，往往會(huì)引發(fā)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層受到不同程度的傷害，造成儲(chǔ)層滲流能力的下降。儲(chǔ)層的敏感性一般包括水敏、速敏、鹽敏、酸敏和堿敏[1]，當(dāng)引入的外來流體礦化度低于儲(chǔ)層地層水礦化度時(shí)，儲(chǔ)層流體原有平衡狀態(tài)被破壞，為建立儲(chǔ)層環(huán)境中新的平衡，水分子逐漸進(jìn)入儲(chǔ)層黏土礦物的晶層間，并發(fā)生離子交換或結(jié)合，導(dǎo)致黏土礦物晶層間距增大，礦物發(fā)生分散、運(yùn)移而堵塞儲(chǔ)層孔隙喉道(水敏)，尤其蒙脫石含量較高的儲(chǔ)層，存在較高的水敏性傷害風(fēng)險(xiǎn)。部分砂巖儲(chǔ)層具有較高的水敏性，極易造成儲(chǔ)層傷害，所以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水敏性傷害的程度及明確水敏傷害引起的原因?qū)?qiáng)水敏儲(chǔ)層的高效開發(fā)至關(guān)重要。

目前已經(jīng)形成了從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，主要的儲(chǔ)層水敏評(píng)價(jià)方法包括矢量防膨試驗(yàn)、頁巖膨脹儀試驗(yàn)、巖心流動(dòng)試驗(yàn)等，但這些宏觀評(píng)價(jià)方法主要基于獲得水敏傷害率的研究思路，并不能對(duì)比分析微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，因此該方法有以下不足之處：①無法精確獲得導(dǎo)致儲(chǔ)層水敏傷害的礦物種類；②無法精確獲得儲(chǔ)層水敏礦物的微觀分布位置；③無法精確獲得水敏傷害導(dǎo)致的巖礦結(jié)構(gòu)變化。

針對(duì)現(xiàn)有水敏評(píng)價(jià)方法的不足，建立了一套從微觀到宏觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)強(qiáng)水敏儲(chǔ)層試驗(yàn)方法，可獲得水敏礦物種類、分布位置、巖礦結(jié)構(gòu)變化等資料，為分析、研究儲(chǔ)層水敏機(jī)理提供更多真實(shí)的依據(jù)。

2.試驗(yàn)研究

2.1.試驗(yàn)儀器

X射線衍射儀(X’Pert MPD PRO，荷蘭帕納科)；掃描電子顯微鏡(Quanta 450，美國FEI公司)；毛管流動(dòng)孔隙結(jié)構(gòu)儀(CFP-1500AEX，美國PMI公司)；巖心流動(dòng)試驗(yàn)裝置(LD-3，華達(dá)石油儀器)；頁巖膨脹儀(NP-3，華達(dá)石油儀器)。

2.2.試驗(yàn)方法

2.2.1.水敏礦物晶層間距測(cè)量試驗(yàn)

膨脹性黏土礦物層間含有Na+、Ca2+、Mg2+等可交換性陽離子[2]，由于Na+和Ca2+與水分子的結(jié)合力很強(qiáng)，可以把大量的水分子吸引到晶格中來，導(dǎo)致晶層間沿C軸(001)晶面方向膨脹，利用X射線衍射原理，根據(jù)布拉格方程(d=λ/2sinθ)，可定量測(cè)量水敏礦物膨脹前后晶層間距d001 [3][4]。

試驗(yàn)步驟：①將巖樣研磨成粉末后浸泡在地層水中；②用X射線衍射儀測(cè)量地層水浸泡處理過的巖粉黏土礦物晶層間距；③再將該巖樣用蒸餾水處理后測(cè)量黏土礦物晶層間距。

2.2.2.掃描電子顯微鏡不鍍膜定點(diǎn)觀察試驗(yàn)

掃描電鏡具有圖像立體感強(qiáng)、放大倍數(shù)范圍大且連續(xù)可調(diào)、樣品制備簡(jiǎn)單、耗樣少、污染小等特點(diǎn)，可用掃描電鏡觀察黏土礦物的真實(shí)自然微觀形貌特征和分布位置[5][6]。

試驗(yàn)步驟：①制作一個(gè)直徑為5cm的導(dǎo)電金屬圓盤；②用導(dǎo)電炭膠將黃豆大小巖石樣品粘貼在金屬圓盤上(圖1)；③用導(dǎo)電炭膠將金屬圓盤粘貼在掃描電鏡樣品室固定樣品臺(tái)上；④用標(biāo)號(hào)筆或者刻刀在金屬圓盤與樣品臺(tái)重合的位置坐上記號(hào)；⑤抽真空觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)讀取并記下每個(gè)樣品的X、Y、Z坐標(biāo)，取出樣品進(jìn)行酸化處理(粘貼樣品的金屬盤請(qǐng)妥善保管，切勿移動(dòng)樣品或者刮擦樣品表面，否則很難找到原觀測(cè)位置)；⑥將處理后的樣品烘干；⑦將處理后的樣品盤對(duì)準(zhǔn)記號(hào)粘貼在樣品臺(tái)上，使得該位置與上一次位置相重合；⑧在計(jì)算機(jī)控制軟件上輸入X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)，找出原來的拍照點(diǎn)后即可從低倍到高倍逐級(jí)連續(xù)進(jìn)行定點(diǎn)拍照觀察。

Figure 1.The process of sample location圖1.巖樣定位處理圖

2.2.3.孔喉半徑測(cè)量試驗(yàn)

水敏傷害主要是由2個(gè)原因造成的，一是黏土膨脹導(dǎo)致的滲流孔隙或喉道半徑縮小，二是顆粒運(yùn)移堵塞孔隙、喉道等滲流通道系統(tǒng)。因此，水敏傷害最終反映在滲流通道的改變。

測(cè)定多孔介質(zhì)孔喉分布的方法很多，主要有壓汞法、BET法、孔隙瓦解法、電子顯微鏡顯微統(tǒng)計(jì)法、核磁共振譜分析法、毛管流動(dòng)孔隙結(jié)構(gòu)儀法等，以上方法均可以分析儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)[7][8]。

筆者利用毛管流動(dòng)孔隙結(jié)構(gòu)儀測(cè)量孔喉半徑[9][10]，試驗(yàn)步驟如下：①將巖樣清洗烘干后，測(cè)出氮?dú)怛?qū)替壓差與氣體流量的關(guān)系；②將巖樣真空飽和地層水后，測(cè)出氮?dú)怛?qū)替壓差和氣體流量的關(guān)系；③將巖樣烘干后用蒸餾水抽真空飽和，測(cè)出氮?dú)怛?qū)替壓差和氣體流量的關(guān)系。

2.2.4.巖心流動(dòng)試驗(yàn)

巖心流動(dòng)試驗(yàn)水敏評(píng)價(jià)法是一種最接近儲(chǔ)層條件的宏觀綜合水敏評(píng)價(jià)方法。根據(jù)達(dá)西定律，在近似地層條件下注入各種與地層損害有關(guān)的流體，測(cè)定巖樣的滲透率及其變化，以評(píng)價(jià)儲(chǔ)層滲透率損害程度。

按照SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》，初始測(cè)試流體為地層水，中間測(cè)試流體為地層水(礦化度為初始測(cè)試流體的 1/2)。試驗(yàn)步驟如下：①制備巖樣，清洗、烘干，測(cè)量氣測(cè)滲透率；②制備初始、中間測(cè)試流體；③分別用初始測(cè)試流體、中間測(cè)試流體、蒸餾水測(cè)試流體測(cè)試滲透率恢復(fù)值。

2.2.5.巖樣物理膨脹試驗(yàn)

含有黏土礦物的巖樣，在低于原始地層水礦化度的流體中會(huì)發(fā)生體積膨脹，通過儀器測(cè)量巖樣的膨脹體積或者高度來表征巖樣水敏程度。試驗(yàn)步驟如下：①清洗、粉碎、分選、烘干巖心或鉆屑；②制備巖樣；③分別用地層水、蒸餾水測(cè)試巖樣膨脹率。

3.結(jié)果與討論

選取S油田某井不同井段的2個(gè)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，分別標(biāo)號(hào)為1#和2#，黏土礦物總質(zhì)量與巖樣總質(zhì)量之比為黏土礦物絕對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，巖樣中蒙脫石、高嶺石、伊利石等與各巖樣中黏土礦物總質(zhì)量之比為黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1#和2#巖樣中黏土礦物絕對(duì)含量分別為14.5%和13.6%，黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

Table 1.The clay mineral of the tested sample and its mass fraction表1.試驗(yàn)用巖樣黏土礦物及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.1.水敏礦物晶層間距測(cè)量

試驗(yàn)結(jié)果表明，1#和 2#巖樣主要膨脹性黏土礦物均為蒙脫石，1#和 2#巖樣在地層水中處理后蒙脫石晶層間距(d001)值分別為1.8216 nm和1.8199 nm，經(jīng)過蒸餾水浸泡處理后，1#和2#兩個(gè)巖樣的蒙脫石晶層間距(d001)值分別為1.8812 nm和1.8773 nm。由此可知，相對(duì)于用地層水處理時(shí)蒙脫石晶層間距(d001)值分別增加了3.27%和3.15%。樣品巖樣從相對(duì)較高礦化度的地層水環(huán)境轉(zhuǎn)換到蒸餾水中，造成蒙脫石晶層間滲透壓和晶層間靜電作用與范德華力發(fā)生變化，使得蒙脫石晶層膨脹勢(shì)與收縮勢(shì)重新再平衡[11][12]。

3.2.掃描電子顯微鏡不鍍膜定點(diǎn)觀察

從相同倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡不鍍膜定點(diǎn)觀察照片(圖2)可以看出，2個(gè)巖樣中的蒙脫石和高嶺石相互夾雜。1#巖樣主要膨脹黏土礦物為片狀蒙脫石，蒙脫石水化膨脹后引起部分高嶺石的黏土顆粒脫落運(yùn)移，導(dǎo)致孔喉半徑變小、喉道堵塞。2#巖樣觀察點(diǎn)為骨架顆粒接縫處，該樣品照片顯示膨脹性黏土主要為蒙脫石，且因蒙脫石發(fā)生膨脹，導(dǎo)致裂縫開度變小，裂縫內(nèi)部分區(qū)域被運(yùn)移顆粒堵塞。

Figure 2.The photos of uncoated spotting observation by scanning electron microscope for 1# and 2# samples圖2.1#、2#巖樣掃描電子顯微鏡不鍍膜定點(diǎn)觀察照片

3.3.孔喉半徑測(cè)量

圖3是1#與2#巖樣用蒸餾水處理前后孔喉半徑分布曲線，將曲線分為整體、峰值右側(cè)(大孔隙)、峰值左側(cè)(小孔隙)3個(gè)部分來分析。整體來看2個(gè)樣品用蒸餾水處理后孔隙半徑分布曲線右移，說明蒸餾水處理后使巖樣孔喉半徑變小，其中1#樣品向左偏移量更大，即1#樣品孔喉半徑縮小量相對(duì)較大；對(duì)比兩圖中峰值右側(cè)曲線，1#巖樣大孔喉占比減少量較2#巖樣多，說明1#巖樣蒸餾水處理后有更多的大孔喉消失，造成這一現(xiàn)象的原因主要是膨脹性黏土礦物水化膨脹造成孔喉半徑縮小，以及運(yùn)移的顆粒架橋堵塞將大孔喉分割成小孔喉。比較兩圖中峰值左側(cè)曲線，2#巖樣在蒸餾水處理后小孔喉占比增加。1#巖樣蒸餾水處理后曲線在峰值和1.2 μm之間的孔喉占比是增加的，但孔喉半徑小于1.2 μm時(shí)，孔隙占比卻減少，說明孔隙在蒸餾水處理后，轉(zhuǎn)變成為流體無法通過的孔隙。

Figure 3.The radius of pore throat distribution curve of 1# and 2# core samples before and after water sensitivity圖3.1#和2#巖心水敏前后孔喉半徑分布曲線

3.4.巖心流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

由巖心流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(圖4)可計(jì)算得到1#和2#巖樣水敏指數(shù)分別為 76與65，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知1#巖樣為強(qiáng)水敏儲(chǔ)層，2#巖樣為中等偏強(qiáng)水敏儲(chǔ)層。巖心流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果從宏觀角度比較了兩巖樣水敏性強(qiáng)弱。

Figure 4.The evaluation on water sensitivity by flow experiment圖4.流動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)水敏

3.5.物理膨脹試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)1#、2#巖粉膨脹試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析(圖5)，1#、2#巖粉樣品在初始30 min內(nèi)膨脹較快，分別在300、600 min時(shí)膨脹率達(dá)到最大值6.45%、5.02%。巖樣的膨脹率與膨脹性黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的正相關(guān)性，當(dāng)膨脹性黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大時(shí)，兩者關(guān)系更為密切。

Figure 5.The curve of expansion rate of rock powder measured by shale expansive instrument圖5.頁巖膨脹儀測(cè)巖粉膨脹率曲線

4.結(jié)論

研究先采用物理膨脹試驗(yàn)和巖心流動(dòng)試驗(yàn)對(duì)目的巖樣水敏程度形成宏觀認(rèn)識(shí)，再結(jié)合水敏礦物晶層間距測(cè)量、掃描電子顯微鏡不鍍膜定點(diǎn)觀察及孔喉半徑測(cè)量3種微觀試驗(yàn)，觀察分析了目的巖樣水敏礦物種類及分布位置，精確測(cè)量了水敏礦物晶層間距變化，并測(cè)量了水敏傷害前后不同孔隙半徑分布，間接給出了水敏運(yùn)移顆粒的半徑范圍和堵塞位置，由此得到以下S油田某井1#、2#巖樣水敏機(jī)理與認(rèn)識(shí)。

1)巖樣主要水敏黏土礦物均為膨脹型黏土礦物蒙脫石和運(yùn)移型黏土礦物高嶺石，兩種礦物的相互夾雜附著在巖石骨架上。

2)巖樣蒸餾水處理后有更多的大孔隙消失，造成這一現(xiàn)象的原因主要是膨脹性黏土礦物水化膨脹造成孔隙半徑縮小，以及運(yùn)移的顆粒架橋堵塞將大孔隙分割成小孔隙。

3)巖樣的水敏傷害與膨脹性黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的正相關(guān)性，當(dāng)膨脹性黏土礦物含量變化較大時(shí)，兩者關(guān)系更為密切。

4)巖樣水敏原因是以顆粒堵塞孔喉為主，孔隙半徑縮小為輔。

5)宏觀和微觀相結(jié)合的水敏系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法克服了原有方法無法精確研究水敏原因的不足之處，從而能精細(xì)分析引起水敏傷害機(jī)理、主要水敏礦物種類、傷害位置以及引起傷害的時(shí)間與程度，為水敏性油氣田開發(fā)控制水敏傷害提供指導(dǎo)。