硬石膏膠結(jié)的低滲透砂巖油藏水敏性傷害的微觀機(jī)理

董沅武， 柳建新*， 牟莎莎， 陳金建， 劉 航

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2.中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院， 武漢 430035)

低滲透砂巖油藏在全球油氣資源發(fā)展中占有重要地位[1]。與常規(guī)砂巖油藏相比，低滲透砂巖油藏的特殊性[2-3]決定了儲(chǔ)層開發(fā)過程中一般需要一定的增產(chǎn)措施才能獲得工業(yè)產(chǎn)能[4-5]。水力壓裂是低滲透砂巖油藏增產(chǎn)的有效方式，但是壓裂增產(chǎn)效果受多種因素影響[5]，了解儲(chǔ)層傷害機(jī)理，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行有目的性的保護(hù)有重要的研究意義。

文獻(xiàn)[6-8]通過敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法對(duì)含江漢油田硬石膏膠結(jié)的低滲透油藏注水開發(fā)過程中儲(chǔ)層傷害機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要傷害機(jī)理是黏土礦物水化膨脹的結(jié)果，但這與該區(qū)塊黏土含量普遍較低不符合。以往研究中較少考慮壓裂過程中硬石膏對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響，難以有效解決壓裂增產(chǎn)效果較差的問題。為此，結(jié)合相關(guān)地區(qū)地質(zhì)資料，并以江漢油田江陵凹陷目標(biāo)油藏的天然巖心為研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合薄片分析、原位掃描電鏡等方法從微觀角度對(duì)儲(chǔ)層傷害機(jī)理進(jìn)行分析，并提出解決措施。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)概括

江陵凹陷構(gòu)造位置處于江漢盆地的西部，是江漢盆地最大次級(jí)構(gòu)造單元，整體上是在前白堊系地層基底上發(fā)育起來的斷坳型沉積凹陷，以河流—三角洲—湖泊的陸相沉積體系為主[9]。新溝嘴組沉積期具有“盆緩、水淺、咸化、源遠(yuǎn)”特征，整體水介質(zhì)的古鹽度較高，膏鹽大量發(fā)育。

表1 地層流體組成

1.2 敏感性評(píng)價(jià)

江陵凹陷儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示，整體呈現(xiàn)出中偏弱-弱鹽敏、水敏、酸敏，占50%～90%；其次為無堿敏-弱-中偏弱、弱-中偏弱速敏儲(chǔ)層，占40%～42%；中偏強(qiáng)-強(qiáng)速敏、酸敏、堿敏儲(chǔ)層占28%～40%。因此該區(qū)塊易發(fā)生儲(chǔ)層傷害。

圖1 江陵凹陷儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)柱狀圖

2 巖石礦物組成及孔隙特征

2.1 巖石礦物組成

對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層段取心巖石薄片統(tǒng)計(jì)分析(圖2)及X射線衍射(表2、表3)結(jié)果認(rèn)為，儲(chǔ)層為含鈣硬石膏膠結(jié)的含云質(zhì)鮞粒細(xì)粒長石砂巖；從巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造上可以看出膠結(jié)物具片狀—細(xì)晶結(jié)構(gòu)的細(xì)砂狀構(gòu)造，塊狀構(gòu)造；儲(chǔ)層礦物組分以石英細(xì)砂、斜長石砂屑、白云石粒屑、鉀長石砂屑、硬石膏、方解石為主。儲(chǔ)層砂巖中泥質(zhì)雜基含量低，一般零星分布在砂屑間隙中；膠結(jié)物含量較高，為23%左右，多為硬石膏、方解石、玉髓團(tuán)粒等。

圖2 巖礦薄片分析

表2 巖石礦物成分分析

表3 巖石黏土礦物相對(duì)含量分析

圖3 未水化巖樣微觀形貌(噴金樣品)

2.2 孔隙特征

根據(jù)壓汞試驗(yàn)結(jié)果分析表明，目標(biāo)儲(chǔ)層段油層最大孔喉半徑在3.49～5.06 μm、平均孔喉半徑在0.945～1.01 μm、中值孔喉半徑在0.756～1.14 μm，孔喉分選性較好，分選系數(shù)介于0.5～1；平均孔隙度為12.25%；平均滲透率為5.0 mD。結(jié)合薄片分析(圖2)和掃描電鏡分析(圖3)可以發(fā)現(xiàn)該儲(chǔ)層喉道細(xì)、孔隙小、連通性差，滲透率低，目標(biāo)儲(chǔ)層段儲(chǔ)層物性差。

根據(jù)薄片、掃描電鏡、X射線衍射和巖化分析認(rèn)為，儲(chǔ)層中黏土礦物含量較低，其中伊利石與綠泥石相對(duì)含量為1.0%，在薄片中只發(fā)現(xiàn)些許綠泥石，水敏性礦物硬石膏作為膠結(jié)物普遍存在，且碳酸鹽礦物的析出也可以由石膏的水化放熱導(dǎo)致CaCO3溶解度降低，從溶液中析出。同時(shí)在巖粉膨脹率試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)純水水化后，隨著時(shí)間的變化，膨脹率幾乎不變，可得出硬石膏水化膨脹及分散/運(yùn)移、溶解再沉淀可能是目標(biāo)所在儲(chǔ)層產(chǎn)生水敏損害的主要原因。而儲(chǔ)層中少量的黏土礦物的膨脹和運(yùn)移可能是儲(chǔ)層水敏性損害的次要原因。

3 儲(chǔ)層水敏傷害機(jī)理研究

3.1 儲(chǔ)層敏感性分析

敏感性試驗(yàn)參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平價(jià)方法》(SY/T 5358—2010)進(jìn)行，選用目標(biāo)儲(chǔ)層天然巖心。由試驗(yàn)結(jié)果(表4)可知，該儲(chǔ)層具有弱-中等的速敏、水敏、酸敏及中-偏強(qiáng)的鹽敏。存在水敏性礦物，是弱水敏的原因。

表4 敏感性試驗(yàn)結(jié)果

表5 巖心水敏排出液組成

從而堵塞儲(chǔ)層，因此儲(chǔ)層水敏損害較試驗(yàn)測(cè)得程度偏大。經(jīng)檢測(cè)微粒的主要成分是石英和其他非黏土礦物，基本上不含黏土礦物，可能正好說明黏土礦物不易被運(yùn)移出被來容易堵塞在喉道中。

3.2 原位電鏡掃描試驗(yàn)

為進(jìn)一步深入研究目標(biāo)儲(chǔ)層巖石的傷害機(jī)理，利用蔡司EVO-18掃描電鏡對(duì)巖樣水化前后進(jìn)行電鏡掃描，通過原位微觀形貌分析試驗(yàn)從微觀角度分析水化對(duì)儲(chǔ)層巖石的傷害機(jī)理。在不同放大倍數(shù)下觀察巖樣水化前后表面、孔喉、裂縫的變化。

3.2.1 試驗(yàn)方法

為清晰方便的觀測(cè)到水化前后巖樣同一位置形貌的改變，將待測(cè)儲(chǔ)層段巖心洗油后，切割成直徑25 mm、厚度為5 mm的圓柱體巖樣。并將巖樣待測(cè)面進(jìn)行打磨拋光，同時(shí)做好標(biāo)記，以便處理前后巖樣特征點(diǎn)觀測(cè)位置保持不變。由于巖樣需要表面不噴金處理，在觀測(cè)過程中可通過調(diào)節(jié)電流大小增加圖片清晰度。

參照儀器使用說明進(jìn)行測(cè)試，原始巖樣在放大一定倍數(shù)下選取3～5個(gè)特征點(diǎn)。觀測(cè)結(jié)束后，將原始巖樣置于純水中浸泡24 h，再將純水浸泡后巖樣放置與40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥處理，對(duì)純水浸泡后巖樣進(jìn)行原位微觀形貌分析。

3.2.2 水化過程對(duì)巖石微觀形貌的影響

圖4、圖5為處理前后的巖樣使用鎢燈絲掃描電鏡下放大270倍的微觀形貌圖。從圖4、圖5可以看出來，水化前后巖樣發(fā)生了細(xì)微的變化，高倍數(shù)條件觀察孔隙喉道處(a、b、c)的微觀形貌，原始巖樣表面可見明顯的滲流通道；蒸餾水浸泡后巖樣部分發(fā)生溶解水化(c1)，水化膨脹孔喉裂縫寬度變窄甚至消失(b3、c3)，在表面附著些許的細(xì)小巖石微粒(a3、b1、c2)，部分孔喉處出現(xiàn)顆粒堵塞或顆粒脫落(a1、a2、b2)的現(xiàn)象。表面水敏傷害一方面降低了喉道尺寸進(jìn)而降低了滲透率，另一方面巖石微粒脫落還可能造成微粒的運(yùn)移。可以直觀觀察到處理前后儲(chǔ)層損害的全過程，為儲(chǔ)層傷害微觀機(jī)理研究提供了有效的試驗(yàn)依據(jù)。

圖4 巖樣特征點(diǎn)水化前的微觀形貌

圖5 巖樣特征點(diǎn)水化后的微觀形貌

4 儲(chǔ)層傷害微觀機(jī)理分析

低滲透儲(chǔ)層由于具有孔喉狹小、富含敏感性礦物等特殊性，儲(chǔ)層傷害異常敏感，在開發(fā)過程中容易造成二次傷害。在關(guān)注入井流體對(duì)黏土礦物的影響的同時(shí)，還因關(guān)注敏感性非黏土礦物的影響，其中硬石膏膠結(jié)會(huì)造成儲(chǔ)層微觀孔隙分布不均勻及降低滲流能力，石膏的水化膨脹和溶解再沉淀是造成儲(chǔ)層水敏損害的主要原因之一。

4.1 硬石膏的水化膨脹機(jī)理

硬石膏屬于典型的水敏性非黏土礦物[10]，水的滲入是導(dǎo)致硬石膏體積膨脹的根本原因。儲(chǔ)層中硬石膏水化方程式為

(1)

(2)

(3)

首先水會(huì)進(jìn)入CaSO4晶格之間，會(huì)形成了水化膜夾層引起晶格擴(kuò)張，巖石體積膨脹；然后當(dāng)水繼續(xù)與CaSO4作用，會(huì)生成了石膏(CaSO4·2H2O)，晶體結(jié)構(gòu)增大，巖石體積膨脹。圖4、圖5的原位掃描電鏡測(cè)試水化前后巖片微觀形貌的改變(b3、c3裂縫變窄)，在儲(chǔ)層中作為膠結(jié)物硬石膏體積膨脹后，會(huì)導(dǎo)致原滲流通道變窄，另外水化后石膏強(qiáng)度降低，易從巖石體中脫落運(yùn)移，堵塞滲流通道，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低。水壓是影響水滲入過程直接外因，水壓的大小會(huì)影響硬石膏的含水狀態(tài)，隨著水壓的增加，硬石膏的吸水率增大，硬石膏的膨脹速率加快[11]，由于膨脹完成后的石膏巖體在長期水作用下強(qiáng)度明顯降低，不利于長期穩(wěn)定。

4.2 硬石膏的溶解和沉淀機(jī)理

石膏水化屬于放熱過程，有利于巖樣中石膏的溶解。常溫下每1 L純水可溶石膏2 g，含有鉀、鈉鹽水溶液中，其溶解度略有增高[12]。40 ℃以上時(shí)，隨溫度升高，溶解度逐漸降低，一般來說石膏在低pH和高壓條件下更容易溶解。

圖4的原位掃描電鏡測(cè)試水化前后巖片微觀形貌的改變(c1水化后具有明顯的溶解水化現(xiàn)象；a3、b1、c2水化后表面附著些許細(xì)小的顆粒；a1、a2、b2水化后砂礫脫落現(xiàn)象)，在入井流體注入地層過程時(shí)會(huì)對(duì)地層流體組成、溫度壓力、巖石(新產(chǎn)生的界面)都會(huì)產(chǎn)生影響，實(shí)際上是一個(gè)地層條件下溶解—沉淀的再平衡過程。伴隨著溫度壓力改變，低礦化度流體的進(jìn)入(原有的化學(xué)平衡被打破)，致使地層流體中離子強(qiáng)度降低，石膏溶解度降低，石膏析出(地層結(jié)垢)，堵塞孔喉[13]，同時(shí)硬石膏作為膠結(jié)物，它的溶解也會(huì)帶來砂礫脫落，從而導(dǎo)致微粒堵塞。值得一提的是在低礦化度流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，由于CaCl2在溶液中含量較低(3.21 g/L)，其同離子效應(yīng)影響較弱(增加石膏溶解度)，離子強(qiáng)度(降低石膏溶解度)是影響硬石膏溶解的主導(dǎo)因素。此外伴隨著礦化度降低，CaCO3溶解度也會(huì)隨之降低，CaCO3會(huì)從溶液中析出，堵塞孔喉，降低儲(chǔ)層的滲透率。

針對(duì)硬石膏膠結(jié)低滲透油藏開發(fā)要采取相應(yīng)的措施，不僅應(yīng)加入合適的黏土穩(wěn)定劑降低黏土礦物水化膨脹的影響，還應(yīng)加入合適的阻垢劑，防治石膏引起的儲(chǔ)層傷害問題。

4.3 黏土礦物的水化膨脹和運(yùn)移

不同黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層會(huì)造成不同的損害影響，同時(shí)黏土礦物產(chǎn)狀也會(huì)有不同的損害影響。由X射線衍射可知，目標(biāo)儲(chǔ)層中主要存在伊利石，伊蒙混層和綠泥石。結(jié)合相關(guān)研究可知，黏土礦物水化后層間距變大，導(dǎo)致孔隙變小，失穩(wěn)后脫落的黏土礦物和砂粒運(yùn)移，則會(huì)堵塞喉道，降低儲(chǔ)層滲透率，造成儲(chǔ)層傷害。

當(dāng)?shù)陀谂R界飽和度的外來流體進(jìn)入儲(chǔ)層與伊利石接觸后，地層流體礦化度會(huì)降低，溶液溶解度升高，使伊利石晶片之間的連接力減弱，增加擴(kuò)散層間距，斥力增加，導(dǎo)致伊利石失穩(wěn)，脫落，分散運(yùn)移，堵塞喉道。水敏礦物的水化前后礦物晶層間距的變化能分析水敏損害大小，可以從微觀上解釋清楚黏土水化膨脹。

5 結(jié)論

(1)微觀機(jī)理研究證實(shí)，江陵凹陷硬石膏的低滲透砂巖油藏壓裂過程中，硬石膏水化膨脹及分散/運(yùn)移、溶解再沉淀導(dǎo)致的水敏損害是儲(chǔ)層傷害的主要原因。

(2)壓裂作業(yè)導(dǎo)致儲(chǔ)層的溫度、壓力及地層流體礦化度等變化會(huì)改變地層原有水敏性礦物的溶解—沉淀平衡條件。

(3)對(duì)具有明顯成垢傾向的儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，不僅需要加入黏土穩(wěn)定劑降低黏土礦物水化膨脹的影響，同時(shí)還需要加入合適的阻垢劑降低儲(chǔ)層傷害。

(4)對(duì)硬石膏膠結(jié)的低滲透儲(chǔ)層開發(fā)過程中因采取相應(yīng)的措施，防治石膏引起的儲(chǔ)層傷害問題。