注入水礦化度對鹽間頁巖油儲層物性影響研究

李兆敏，趙艷玲，王海濤，趙清民，鹿 騰，徐正曉

(1. 中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100089 )

0 引 言

近年來，頁巖油成為繼頁巖氣后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點，中國陸相頁巖油地質(zhì)評價方法已經(jīng)基本成熟，頁巖油勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)取得重要進展[1-8]。江漢盆地潛江凹陷廣泛發(fā)育陸相鹽湖鹽間泥頁巖,有機質(zhì)含量較豐富,具備頁巖油成藏的石油地質(zhì)條件,對江漢盆地潛江凹陷鹽間儲層進行研究對開拓中國非常規(guī)油氣勘探新領(lǐng)域具有重要意義[9-14]。

目前對江漢盆地潛江凹陷的勘探研究大多以地質(zhì)特征、儲層巖性特征為主。研究發(fā)現(xiàn)，江漢盆地潛江凹陷潛江組儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，白云石晶間孔發(fā)育，孔喉細小，排驅(qū)壓力較高；天然裂縫發(fā)育多為層理縫，局部發(fā)育高角度構(gòu)造縫，以層理縫-孔隙型為主，壓裂改造后，壓裂裂縫發(fā)育，縫網(wǎng)復(fù)雜；且儲層巖性特殊，富含水溶性礦物，淡水溶解可溶鹽類礦物后，改變了儲層物性[15-21]。目前現(xiàn)場已開展單井注水吞吐試采，試驗結(jié)果表明滲吸油水置換、水溶鹽改善了儲層滲流能力，但多周期注水吞吐易造成鹽溶解，使地層垮塌虧空，引起套管變形、挫斷。針對上述問題，通過巖心滲吸-驅(qū)替實驗，結(jié)合核磁共振、掃描電鏡等方法，觀察巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化，揭示不同礦化度的注入水對鹽間頁巖油巖心孔隙結(jié)構(gòu)的影響，探究不同礦化度的注入水對巖心滲流能力的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗巖心取自潛江凹陷潛江組潛四段下部王99井，巖性為白云質(zhì)泥巖。通過 X 衍射巖心薄片分析結(jié)果可知，巖樣中礦物平均含量分別為：鹽類礦物為9.71%，碳酸鹽礦物為41.44%，脆性礦物為41.71%，黏土礦物為7.14%。實驗前將巖樣洗油烘干并氣測孔隙度和滲透率，其基本物性參數(shù)如表1所示。巖樣孔隙度由超低滲孔隙度測量儀(YRD-CPOR200)測定，滲透率由串聯(lián)多量程壓力測試儀測定。

實驗流體為地層水(礦化度為301 001 mg/L)、中礦化度水(礦化度為150 498 mg/L)、低礦化度水(礦化度為75 249 mg/L)、超純水(礦化度為0 mg/L)。

表1 巖心基本物性參數(shù)

1.2 實驗方法

1.2.1 巖心靜態(tài)滲吸實驗

實驗裝置為核磁共振測試儀(磁體類型為永磁體，磁場強度為 0.30±0.05T；圍壓不大于40.0 MPa，軸壓不大于38.0 MPa；實驗溫度為25 ℃)。實驗巖樣選用1號巖心，并將其沿直徑方向均勻切分為3段。實驗方法：將烘干的巖心分別置于超純水、中礦化度水、地層水中靜態(tài)滲吸，待自發(fā)滲吸一定時間后，取出巖心，用吸水紙擦干表面水樣，測量其核磁T2譜。

1.2.2 巖心驅(qū)替實驗

實驗巖樣選用2號巖心。實驗步驟：①巖心抽真空24 h、飽和地層水45 h；②將巖心置于巖心夾持器中，將地層水置于中間容器，設(shè)置圍壓為1.5 MPa，實驗溫度為地層溫度80 ℃，以0.1 mL/min的驅(qū)替速度進行驅(qū)替；③測定巖心初始滲透率后，換用中礦化度水驅(qū)替，保持驅(qū)替速度不變，驅(qū)替10倍孔隙體積后停止，保持圍壓和溫度不變，靜置12 h以上繼續(xù)驅(qū)替，測定巖心滲透率；④用同樣的方法測定低礦化度水、超純水驅(qū)替的巖心滲透率。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 巖心靜態(tài)滲吸實驗

2.1.1 核磁共振實驗結(jié)果

核磁共振實驗可以測定巖心內(nèi)不同孔徑的孔隙中的含液量，巖心飽和單相流體的T2譜可以反映其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。核磁共振譜圖橫坐標弛豫時間與巖心孔隙半徑的關(guān)系為：

(1)

式中：ρ2為巖石的橫向表面弛豫率，μm·ms-1，用于表征巖石性質(zhì)；S為巖心孔隙表面積，μm2；V為巖心孔隙體積，μm3；Fs為幾何形狀因子，對于球形孔隙Fs等于3，對于柱狀孔隙Fs等于2；rc為孔隙半徑，μm。

由式1可知，弛豫時間和巖心孔隙半徑成正比，即巖心小孔隙對應(yīng)的表面弛豫時間短，大孔隙對應(yīng)的表面弛豫時間長。T2譜曲線的縱坐標為信號幅值，信號幅值與巖心孔隙內(nèi)含有的流體體積成正比，據(jù)此可以通過弛豫時間及信號幅值來反映孔隙孔徑與流體飽和度，從而觀測不同孔隙中的流體分布和運移狀況[22-25]。

通過巖心在地層水中滲吸的T2譜圖(圖1a)可以看出，巖心T2譜呈連續(xù)的雙峰特征且左峰面積大于右峰面積，表明小孔隙體積占總孔隙體積比例大，大孔隙體積占總孔隙體積比例小。自發(fā)滲吸前期，T2譜幅度增長較快，自發(fā)滲吸24.0 h后，滲吸趨于穩(wěn)定；滲吸過程中，曲線振幅均勻增加，表明巖心孔隙中水含量逐漸增加。通過巖心在中礦化度水中滲吸的T2譜圖(圖1b)可以看出，巖心T2譜呈孤立的雙峰特征且左峰面積遠大于右峰面積。左峰自發(fā)滲吸前20 minT2譜幅度變化較大，表明進入巖心孔隙中的水量較多；滲吸中后期T2譜變化幅度微小，滲吸很快趨于穩(wěn)定。右峰隨自發(fā)滲吸時間延長逐漸向左移動，表明滲吸液所在孔隙的孔徑變小。通過巖心在超純水中滲吸的T2譜圖(圖1c)可以看出，巖心T2譜呈孤立的單峰特征。自發(fā)滲吸 24.0 h后，滲吸趨于穩(wěn)定。峰的左翼隨自發(fā)滲吸時間延長而重合，表明小孔隙受毛細管力影響首先被充填；峰的右翼振幅逐漸增加，表明對應(yīng)孔隙中水量逐漸增加；同時波峰逐漸向右移動，對比巖心在超純水中滲吸開始和結(jié)束時波峰對應(yīng)的T2時間(分別為13.35 ms和14.97 ms)，T2時間明顯增大，表明巖心孔隙在滲吸過程中變大。

圖1 巖心在不同流體中滲吸T2譜

2.1.2 巖心掃描電鏡結(jié)果

通過掃描電鏡觀察在不同礦化度水中滲吸后巖心的孔隙微觀結(jié)構(gòu)變化，根據(jù)能譜圖分析掃描電鏡圖像中的礦物組成，巖心掃描電鏡圖與能譜圖見圖2～4。由圖2～4可知，在模擬地層水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在4～15 μm，巖心多被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒表面多被石鹽(Hl)覆蓋；在中礦化度水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在3～11 μm，巖心多被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒表面有石鹽覆蓋；在超純水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在6～28 μm，但巖心內(nèi)石鹽含量大幅減少，孔隙局部放大顯示顆粒表面無石鹽覆蓋，且孔隙中短柱狀石膏(G)充填分布并有溶蝕現(xiàn)象。

結(jié)合巖心核磁共振T2譜圖和掃描電鏡結(jié)果，將在地層水中滲吸的巖心視為原始巖心，分別與在中礦化度水、超純水中滲吸后的巖心對比?？梢钥闯?，巖心在中礦化度水中滲吸后，含鹽量略有下降且孔隙尺寸變小，這是由于巖心發(fā)生水敏效應(yīng)，即水分子進入黏土礦物晶層間降低晶片間作用力，使黏土礦物發(fā)生水化或膨脹，導(dǎo)致晶面間距增大，巖石有效孔隙度和孔喉半徑減小[26-27]。因此，巖心滲吸后期僅有少量液體滲入巖心，滲吸很快趨于穩(wěn)定；巖心在超純水中滲吸后，含鹽量大幅度下降且孔隙的孔徑變大，這是由于巖心內(nèi)孔隙表面可溶鹽類發(fā)生溶解，即巖心在油藏條件下，以地層水為溶劑，鹽處于特定的溶解平衡狀態(tài)，當(dāng)注入超純水時，巖心中作為溶劑的水相改變，作為溶質(zhì)的鹽的溶解量隨之增加[28]，導(dǎo)致孔喉尺寸變大，因此，巖心滲吸過程中T2譜波峰逐漸向右移動。

圖2 巖心在地層水中滲吸能譜及掃描電鏡圖像

圖4 巖心在超純水中滲吸能譜及掃描電鏡圖像

2.2 巖心驅(qū)替實驗

2.2.1 驅(qū)替壓差變化

巖心水驅(qū)過程中驅(qū)替壓差及滲透率變化如圖5、表2所示。由圖5、表2可知：①在中礦化度水驅(qū)階段，巖心兩端驅(qū)替壓差逐漸增大，巖心滲透率下降。這是由于巖心礦物發(fā)生水敏效應(yīng)。巖心原始狀態(tài)處于高礦化度環(huán)境中，黏土礦物遇中礦化度水后發(fā)生水化、膨脹，在注入流體的作用下發(fā)生分散、運移，從而減小或堵塞巖石的有效孔隙喉道，造成巖心滲透率下降，計算其水敏損害率為20.45%，損害程度為弱。②在低礦化度水、超純水驅(qū)階段，巖心兩端驅(qū)替壓差逐漸降低，滲透率分別增大34.76%、61.15%。這是由于巖心礦物發(fā)生鹽類溶解作用。隨著注入水礦化度的降低，巖心內(nèi)可溶鹽類的溶解平衡狀態(tài)發(fā)生改變，鹽溶量逐漸增加，致使巖心滲透率增大。超純水注入后巖心兩端驅(qū)替壓差再次下降，滲透率相比低礦化度水驅(qū)后提高19.58%，此結(jié)果表明注入水的礦化度越低，對巖心內(nèi)水溶性鹽的溶解作用越強，巖心滲透率提高幅度越大。

圖5 不同注入水情況下的驅(qū)替壓差

表2 不同注入水情況下巖心滲透率

Table 2 Core permeability under different types of injection water

注入水滲透率/mD地層水0.538中礦化度水0.428低礦化度水0.725超純水0.867

2.2.2 產(chǎn)出液中離子含量變化

在驅(qū)替過程中，巖心內(nèi)礦物成分發(fā)生溶解或溶蝕并隨注入液流出巖心，致使注入液中離子成分含量改變。水分析儀能夠?qū)α黧w中離子進行定量表征，以明確驅(qū)替過程中注入液對巖心礦物的影響。

水分析儀檢測結(jié)果如表3所示。由表3可知，巖心經(jīng)中礦化度水驅(qū)替，產(chǎn)出液中離子含量變化較??；巖心經(jīng)低礦化度水、超純水驅(qū)替后，產(chǎn)出液中離子含量大幅增加，其中，經(jīng)低礦化度水驅(qū)替后鉀離子與鈉離子含量增長17.09%，氯離子含量增長13.24%；經(jīng)超純水驅(qū)替后各離子含量均有明顯上升。在實驗過程中鹽間頁巖油巖心經(jīng)中礦化度水驅(qū)后，主要發(fā)生水敏效應(yīng)，僅有少量顆粒發(fā)生運移、分散、脫離；巖心經(jīng)低礦化度水和超純水驅(qū)替后，主要發(fā)生鹽類溶解作用，巖心孔隙表面的鹽類溶解在注入水中并隨之流出巖心，從而造成巖心滲透率增大，且注入水的礦化度越低，巖心內(nèi)水溶性鹽的溶解量越大。

潛江組鹽間頁巖油區(qū)塊初期采用“衰竭式”開發(fā)，產(chǎn)量高，但產(chǎn)量下降較快。目前現(xiàn)場已開展單井注水吞吐、井組注水開采2種模式，注清水開發(fā)時，由于可溶性鹽類會發(fā)生溶解，使儲層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石的孔隙度和滲透率發(fā)生改變，從而改善了儲層滲流能力，減緩產(chǎn)量遞減，這是實現(xiàn)油田長期增油的原因之一。但經(jīng)過多周期注清水吞吐，使得大量鹽類溶解，容易造成地層垮塌虧空，引起套管變形、挫斷。結(jié)合實驗結(jié)果，證實超純水確實可以溶解大量巖心內(nèi)水溶性鹽，改變儲層物性，而低礦化度水可以溶解巖心部分水溶性鹽，既可改善巖心的水敏效應(yīng)，又可有效提高巖心滲透率，且對地層的溶蝕作用較小，因此，建議研究區(qū)采用低礦化度水進行開發(fā)。

表3 不同礦化度驅(qū)替液注入前后離子含量

3 結(jié) 論

(1) 利用核磁共振和掃描電鏡實驗研究不同礦化度注入水對巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響：中礦化度水中滲吸的巖心較快趨于穩(wěn)定且T2譜右峰逐漸向左移動，巖心內(nèi)發(fā)生水敏效應(yīng)，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變小。超純水中滲吸的巖心T2譜波峰逐漸向右移動，表明注入水逐漸向較大孔隙轉(zhuǎn)移，巖心內(nèi)可溶鹽類被超純水溶解，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變大。

(2) 中礦化度水進入儲層后發(fā)生水敏效應(yīng)，導(dǎo)致巖心滲透率降低，低礦化度水、超純水會溶解巖心內(nèi)的可溶鹽類，導(dǎo)致巖心滲透率增大。

(3) 注入水礦化度越低，巖心內(nèi)水溶鹽的溶解作用越強，低礦化度水驅(qū)可以溶解巖心部分水溶性鹽，即可改善巖心的水敏效應(yīng)，可有效提高巖心滲透率。