微觀表征法預(yù)測(cè)分析低滲儲(chǔ)層傷害的潛在因素

孫鐸，劉乘宙，許文赟，李鑫，劉灝亮

微觀表征法預(yù)測(cè)分析低滲儲(chǔ)層傷害的潛在因素

孫鐸，劉乘宙，許文赟，李鑫，劉灝亮

（中國石油玉門油田分公司，甘肅 酒泉 735019）

低滲油藏具有十分巨大的資源潛力，然而在勘探開發(fā)過程中，低滲儲(chǔ)層更易受到傷害，影響開發(fā)效果，因此對(duì)低滲儲(chǔ)層傷害機(jī)理的研究很有必要。目前國內(nèi)主要采用室內(nèi)動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法研究儲(chǔ)層巖心的傷害因素，需要對(duì)各種影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，工作量大，效率低。對(duì)此，以玉門油田某區(qū)塊M層巖心為實(shí)例，提出采用微觀表征方法，即XRD、SEM和偏光顯微鏡，觀察天然巖心礦物組成、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)等特征，結(jié)合黏土礦物學(xué)相關(guān)知識(shí)，提前預(yù)測(cè)引起儲(chǔ)層傷害的潛在因素，為儲(chǔ)層傷害的評(píng)價(jià)研究提供了新的思路。

低滲透；儲(chǔ)層傷害；潛在因素；微觀表征；分析預(yù)測(cè)

低滲油藏通常指平均滲透率低于50 mD的油藏，廣泛分布于我國各含油區(qū)塊，主要以致密砂巖油藏為主，其地質(zhì)儲(chǔ)量已占全部探明儲(chǔ)量的30%以上。近年來，隨著鄂爾多斯盆地、四川盆地、松遼盆地等低滲油氣儲(chǔ)層的陸續(xù)投產(chǎn)，低滲油藏已逐漸成為我國陸上油田的主力油藏，具有十分巨大的資源潛力。

然而，低滲油藏與中、高滲油藏相比，由于其孔隙體積更小，平均孔隙半徑小于20 μm，且礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)與孔喉分布更加復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)，因此在勘探開發(fā)過程中，低滲油藏更易受到傷害，導(dǎo)致滲透率降低，生產(chǎn)壓差增大，嚴(yán)重影響石油采收率。在鉆開油氣層后，注水泥、射孔試油、酸化、壓裂、采油、注水、修井等施工過程都會(huì)不同程度地破壞油氣層原有的物理化學(xué)平衡狀態(tài)，外來流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，會(huì)與儲(chǔ)層內(nèi)的巖石礦物及地層流體發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，如酸敏、水敏等，堵塞連通的喉道；此外，返排井下流體時(shí)出現(xiàn)的“水鎖”，以及儲(chǔ)層內(nèi)溫度及應(yīng)力的變化也會(huì)對(duì)孔隙體積及連通性造成不利影響，這都可能導(dǎo)致孔喉半徑減小，非有效孔喉比例大幅增加，滲流阻力增大，最終引起滲透率的降低，影響開發(fā)效果[6-8]。

無論哪一種傷害，儲(chǔ)層本身的內(nèi)在條件是主要影響因素，當(dāng)儲(chǔ)層不能與外界條件變化相適應(yīng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率的降低，因此要了解儲(chǔ)層傷害機(jī)理，首先要搞清楚儲(chǔ)層自身潛在的傷害因素。目前，國內(nèi)主要通過天然巖心的室內(nèi)敏感性評(píng)價(jià)，即酸敏、水敏、速敏等評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，以及工作液傷害效果評(píng)價(jià)這兩大類動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)，來分析低滲儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)生傷害的原因[4-6]。由于天然巖心數(shù)量有限，價(jià)格昂貴，且室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)往往需要對(duì)各種影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，缺乏針對(duì)性，工作量大，耗時(shí)長，容易受外來因素干擾。盡管在研究中也借助了一定的微觀表征手段，如納米CT和掃描電子顯微鏡（SEM），但也只限于觀察礦物組成及孔喉半徑，并未從微觀角度深入分析預(yù)測(cè)造成儲(chǔ)層傷害的潛在因素[9-10]。

因此，本文以玉門油田某低滲區(qū)塊M層巖心為例，從微觀角度分析預(yù)測(cè)巖心發(fā)生傷害的潛在因素。通過采用X射線衍射（XRD）、SEM以及偏光顯微鏡分析天然巖心礦物組成、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)等微觀特征，并結(jié)合黏土礦物學(xué)相關(guān)知識(shí)，預(yù)測(cè)引起儲(chǔ)層傷害的微觀潛在因素，明確了儲(chǔ)層傷害的防治手段，提高了開發(fā)方案設(shè)計(jì)針對(duì)性，并為研究低滲儲(chǔ)層傷害機(jī)理提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)用巖心樣取自玉門油田某低滲透區(qū)塊M層不同深度（1 000～1 300 m），編號(hào)1～4號(hào)，分別進(jìn)行XRD、SEM和偏光顯微鏡實(shí)驗(yàn)分析。

在XRD實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)流體靜力學(xué)中Stocks沉降定理，采用水懸浮液分離方法分別提取粒徑小于l0 μm和小于2 μm的黏土礦物樣品。粒徑小于10 μm的黏土礦物樣品用于測(cè)定黏土礦物在原巖中的相對(duì)含量；粒徑小于2 μm的黏土礦物樣品用于測(cè)定各種黏土礦物種類的相對(duì)含量，然后利用每種黏土礦物所具有的特定X射線衍射圖譜，來分析計(jì)算出該礦物含量。

在SEM實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)巖心樣本進(jìn)行洗油、烘干，然后用導(dǎo)電膠粘在樣平臺(tái)上并噴金。噴金之后的巖樣與高速運(yùn)動(dòng)的電子束發(fā)生一系列反應(yīng)，產(chǎn)生二次電子。通過計(jì)算二次電子的多少來得到巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的圖像，結(jié)合巖石形貌學(xué)相關(guān)知識(shí)，分析巖樣的形貌和礦物組成。

在使用偏光顯微鏡觀察巖樣時(shí)，將巖樣精磨、粘片，選用0.1% 茜素紅-S溶液與2% 的鐵氧化鉀溶液的混合溶液進(jìn)行染色，染色時(shí)間為45～60 s；染色后沖洗、風(fēng)干，制成巖石鑄體薄片。將制好的鑄體薄片放在聚光鏡下進(jìn)行觀測(cè)，通過調(diào)整不同的照明方式，獲得清晰的巖心鑄體薄片彩色圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD表征

通過XRD分析獲得的儲(chǔ)層全巖和黏土礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 M層巖心全巖分析結(jié)果

表2 M層黏土礦物成分相對(duì)含量

由表1可見，M區(qū)塊砂巖的主要礦物成分為長石，占37%～51%，平均含量44.3%；其次為石英，占28%～38%，平均含量33.3%；黏土礦物含量17%～28%，平均含量21.5%。由表2可知，M區(qū)塊黏土礦物的分布不均，主要以伊利石為主，平均含量占60%以上，含量最高達(dá)66%；其次，儲(chǔ)層中 伊/蒙混層所占比例較高，綠泥石含量低。

根據(jù)X射線衍射結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊膠結(jié)物普遍為黏土礦物，由于在水中，混合間層黏土礦物與單一黏土礦物晶體相比，更容易發(fā)生分散和膨脹，尤其是當(dāng)其中一種成分有膨脹性時(shí)，膨脹效果更加明顯，因此，層內(nèi)容易發(fā)生水敏現(xiàn)象。伊利石含量占一半以上，含量最高，在流體流動(dòng)過程中易發(fā)生黏土分散，發(fā)生速敏，堵塞喉道。

2.2 SEM表征

采用觀測(cè)精度可達(dá)0.04 nm的高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，其特點(diǎn)是具備超高分辨掃描圖像的觀察能力，利用數(shù)字化圖像處理技術(shù)，得到高倍數(shù)、高分辨率掃描圖像，如圖1、圖2所示。

圖1 1號(hào)、2號(hào)巖樣微觀形貌

圖2 3號(hào)、4號(hào)巖樣微觀形貌

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)巖樣主要由石英、長石、巖屑組成，雜基主要以石英為主；膠結(jié)物以方解石為主，膠結(jié)類型以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，巖性致密，風(fēng)化程度差；顆粒粒徑以線式接觸，分選性較差，磨圓度差，為石英砂質(zhì)泥巖。2號(hào)巖樣組成與1號(hào)相似，同為石英砂質(zhì)泥巖，但雜基主要以伊利石為主；膠結(jié)物以伊利石為主，膠結(jié)類型以硅質(zhì)膠結(jié)為主，巖性致密，顆粒以鑲嵌式接觸，風(fēng)化程度較差，分選性與磨圓度中等，主要發(fā)育粒間孔。3號(hào)巖樣與4號(hào)巖樣結(jié)構(gòu)相似，主要由石英、長石組成，雜基主要以白云石為主；膠結(jié)物以伊利石為主，其次為綠泥石；膠結(jié)類型以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，其次為硅質(zhì)膠結(jié)；巖性比較致密，粒間以鑲嵌式接觸，分選性較差，磨圓度較差，主要發(fā)育長石溶蝕孔，為石英長石砂巖。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，在M層巖心中，石英、伊利石等礦物多以粒間充填的方式分布于巖層中，而孔隙半徑較狹窄，伊利石多以橋狀、絮狀充填于砂巖孔隙中，易在高速流體的剪切作用下發(fā)生破碎，并隨流體運(yùn)移到喉道處發(fā)生堵塞。因此，當(dāng)儲(chǔ)層中流體流速過大，很容易造成速敏傷害。同時(shí)觀察到次生石英的含量普遍較高，可能存在石英堵塞作用，導(dǎo)致水測(cè)滲透率偏低，易發(fā)生“水鎖”傷害。

2.3 偏光顯微鏡實(shí)驗(yàn)分析

不斷變更照明方式，發(fā)現(xiàn)在正交光下，利用偏光顯微鏡能得到1～4號(hào)巖樣清晰明亮的彩色圖像。

根據(jù)偏光顯微鏡觀察到的圖像，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)巖心含大量極細(xì)砂質(zhì)細(xì)粒長石巖屑，縫間接觸較為緊密，巖心孔隙發(fā)育較差，嚴(yán)重影響儲(chǔ)集空間的形成，導(dǎo)致滲流阻力偏大，影響孔隙間滲透性。而且部分巖心為粒間溶孔，少量為粒內(nèi)溶孔和鑄?？?，連通性較差，僅局部具有一定連通性。因此，孔喉半徑過小導(dǎo)致的“水鎖”是導(dǎo)致滲透率降低的主要原因。3號(hào)、4號(hào)巖心膠結(jié)物主要為伊利石，還含有一定量的石膏，屬碳酸鹽膠結(jié)物，在酸化作業(yè)中，石膏中含有的鈣離子與氫氟酸易產(chǎn)生CaF2沉淀，容易造成孔喉的堵塞。

結(jié)合XRD、SEM及偏光顯微鏡實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，得到如下預(yù)測(cè)結(jié)果：在1 020～1 150 m，儲(chǔ)層傷害為水敏和速敏的可能性較大，且有可能發(fā)生“水鎖”；而在1 222～1 320 m，儲(chǔ)層水敏可能性較大，且存在酸敏可能性。

綜上所述，M層在開發(fā)過程中，長期注水會(huì)導(dǎo)致注入困難，需要在注入水中加入黏土防膨劑，同時(shí)為避免發(fā)生速敏，應(yīng)采取溫和注水方式，避免強(qiáng)注強(qiáng)采造成儲(chǔ)層傷害。此外，在1 222～1 320 m進(jìn)行酸化作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意石膏與氫氟酸作用發(fā)生酸敏的可能性，合理設(shè)計(jì)酸化體系及施工參數(shù)。

3 結(jié)論與展望

低滲油藏資源潛力巨大，然而由于在孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成等方面存在差異，相較于中、高滲油藏，低滲透儲(chǔ)層在勘探開發(fā)過程中更容易受到傷害，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。因此，對(duì)低滲儲(chǔ)層傷害的研究具有重要意義。然而，目前對(duì)此進(jìn)行的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究普遍存在工作量大、耗時(shí)長的缺點(diǎn)，對(duì)傷害因素的實(shí)驗(yàn)研究缺乏針對(duì)性。為提高研究效率，本文提出從微觀角度分析預(yù)測(cè)巖心發(fā)生傷害的潛在因素，以玉門油田某低滲區(qū)塊M層巖心為例，通過采用XRD、SEM以及偏光顯微鏡分析天然巖心微觀結(jié)構(gòu)，為開發(fā)方案的制定提出合理建議，并為儲(chǔ)層傷害的評(píng)價(jià)研究提供了新的思路。

目前，盡管評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害因素的實(shí)驗(yàn)方法已得到廣泛應(yīng)用，但實(shí)驗(yàn)類型仍以室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)為主，以滲透率變化作為是否存在儲(chǔ)層傷害的參照依據(jù)，并不能直觀可視地闡明儲(chǔ)層傷害因素，抗干擾性差。因此筆者認(rèn)為，未來的儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)應(yīng)將微觀可視化模型與智能巖心驅(qū)替結(jié)合起來，直觀展示內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)變化，使儲(chǔ)層傷害研究更具針對(duì)性和可靠性。

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Prediction and Analysis on Potential Factors of Low Permeability Formation Damage by Micro-characterization Methods

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（PetroChina Yumen Oilfield Branch Company, Jiuquan Gansu 735019, China）

Low permeability formations have enormous resource potential, however in process of exploration and exploitation, low permeability formations are much easier to be damaged, which is adverse to oil recovery, thus studies on damage factors of low permeability formations is essential. Recently, laboratory dynamic physical simulation experiments are used to study damage factors of low permeability formations in China, evaluations on various damage factors are needed, which will lead to large amount of work and low efficiency. For this reason, rock cores from Yumen oilfield M layer were used as example, the mineral composition and inner pore structure of natural rock coreswere observed by using methods of micro-characterization, including XRD, SEM and polarizing microscope, prediction on potential factors of formation damage was conducted in advance, which could provide a new thinking to evaluate and study formation damage.

Low permeability; Formation damage; Potential factors; Micro-characterization; Analysis and prediction

2021-08-10

孫鐸（1992-），女，黑龍江省五常市人，助理工程師，碩士研究生，2019年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，研究方向：油氣田開發(fā)。

劉灝亮（1993-），男，助理工程師，碩士研究生，研究方向：提高采收率工程。

TE357

A

1004-0935（2022）03-0430-04