鄂爾多斯盆地長7 段儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)研究

2020-07-04 00:49:24劉一倉茍幸福黃東安謝耀榮趙曉紅陳貞萬張紅濤

石油化工應(yīng)用 2020年6期

劉一倉，茍幸福，黃東安，謝耀榮，趙曉紅，陳貞萬，張紅濤

（1.中國石油長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅慶陽 745000；2.北京凱博瑞石油科技有限公司，北京 100083）

自2009 年起針對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 段頁巖進(jìn)行勘探，針對陸相頁巖氣的成藏模式、賦存機(jī)理、地球化學(xué)特征等方面的認(rèn)識(shí)取得了重大的進(jìn)展[1-6]，但陸相頁巖氣井產(chǎn)能偏低，在地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上需要深入開發(fā)方面的分析。頁巖儲(chǔ)層以納米級孔隙和滲透率為主[7]，敏感性礦物及微裂縫發(fā)育，使得頁巖具有比常規(guī)儲(chǔ)層更強(qiáng)的潛在敏感性[8]，因其滲透率極低，滲流機(jī)理有別于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層[9]，傳統(tǒng)壓汞曲線法只能反映巖芯的部分孔隙特征[10]，對頁巖的研究具有缺陷性，通過二氧化碳吸附數(shù)據(jù)運(yùn)用DFT 模型計(jì)算出頁巖的微孔分布可知,頁巖含有大量0.5 nm～1.0 nm 的微孔[11]，金武軍等研究指出優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層具有更大的微孔孔容、比表面積、孔徑大小及有效孔隙體積[12]，劉子驛等分析了海相頁巖黃鐵礦含量與沉積環(huán)境和含氣性的關(guān)系[13]，鄂爾多斯長7 段陸相頁巖也富含黃鐵礦，可與此對比分析。在敏感性測試方面李凱，張浩等用氣測法研究了川東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層敏感性，評價(jià)結(jié)果表明該區(qū)塊水敏性強(qiáng)，鹽敏性強(qiáng)，堿敏性強(qiáng)，酸敏性中等偏強(qiáng)[14]。

為明確陸相頁巖氣在開發(fā)過程中可能存在的敏感性問題，利用X 射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡、氮?dú)馕郊訅汗瘜?shí)驗(yàn)、巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)等技術(shù)進(jìn)行全巖分析，明確鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 儲(chǔ)層特征及潛在的敏感性。

1 儲(chǔ)層基本特征

1.1 礦物成分特征

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 儲(chǔ)層陸相頁巖礦物成分復(fù)雜，主要由黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石、伊-蒙混層、綠泥石）、碎屑礦物（石英、斜長石、鉀長石）、碳酸鹽礦物（方解石、白云石、菱鐵礦）組成，含少量黃鐵礦。下寺灣地區(qū)YC 組長7 段陸相頁巖黏土礦物含量較高，平均占比52.96 %，碎屑礦物含量次之，占比34.46 %，碳酸鹽礦物含量最少，占比12.56 %。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 陸相頁巖黏土礦物成分及其含量（見圖1），其以伊利石（48.95 %）和伊-蒙間層（32.39 %）為主，以綠泥石（9.68 %）和高嶺石（8.97 %）含量為輔。

圖1 X 射線衍射分析頁巖黏土礦物相對含量

1.2 孔隙特征

圖2a 氬離子拋光-掃描電子顯微鏡樣品孔隙特征

圖2b 陸相頁巖孔徑分布特征

圖2c 陸相頁巖孔徑分布特征（r＜100 nm）

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 儲(chǔ)層陸相頁巖場發(fā)射掃描電鏡（見圖2a）。掃描電鏡分析顯示：巖石骨架顆粒小，為粉砂質(zhì)泥巖，主要含黏土礦物，巖石膠結(jié)致密。可見大量的黏土礦物晶間孔和粒內(nèi)孔，含草莓狀黃鐵礦結(jié)核，局部可見微裂縫,粒間孔和粒內(nèi)孔是長7 段烴源巖的主要孔隙類型。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 陸相頁巖孔隙分布特征（見圖2b），通過將低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗ㄏ嘟Y(jié)合分析頁巖的孔隙分布特征，發(fā)現(xiàn)長7 頁巖孔徑分布主特征要分為兩大類。第一類孔隙分布存在三個(gè)峰值，富含微孔、介孔和宏孔，孔徑峰值分別為2 nm、100 nm、10 000 nm；第二類孔隙分布存在二個(gè)峰值，不存在微孔，富含介孔和宏孔，孔徑峰值分別為100 nm、10 000 nm。頁巖孔徑小于100 nm 的孔隙體積、孔隙比表面積隨孔徑變化規(guī)律（見圖2c）。從圖2c 發(fā)現(xiàn)：第一類孔隙特征表現(xiàn)為在孔徑小于10 nm 時(shí)，隨著孔徑增加孔隙體積和孔隙比表面積均快速增加，在孔徑大于10 nm 后逐漸趨于穩(wěn)定，說明微孔較發(fā)育；第二類孔隙特征表現(xiàn)為在孔徑小于10 nm 時(shí)，隨著孔徑增加孔隙體積和孔隙比表面積均增加但幅度很小，在孔徑大于10 nm 后逐漸趨于穩(wěn)定，說明微孔不發(fā)育。

2 儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)及評價(jià)

2.1 儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：PoroPDP-200 型氣體滲透率測量儀，設(shè)計(jì)用于在模擬地層覆壓（最大壓力70 MPa）條件下，按美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（API RP-40）的要求，采用脈沖衰減法測量巖心樣品克氏滲透率，測量范圍：0.000 01 mD～10 mD。

（2）測試原理：巖心樣品裝在一個(gè)巖心夾持器中，然后將夾持器與控制模塊連接，用手動(dòng)液壓泵加上圍壓，然后測量滲透率。滲透率測量采用非穩(wěn)態(tài)法，即壓力脈沖衰減法。控制模塊首先給巖心施加一個(gè)孔隙壓力，然后通過巖心傳遞一個(gè)壓差脈沖，隨著壓力瞬間傳遞通過巖心，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄巖心兩端的壓力差、下游壓力和時(shí)間，并在電腦軟件屏幕上繪制出壓差和平均壓力與時(shí)間的對數(shù)曲線，軟件通過對壓力和時(shí)間數(shù)據(jù)的線性回歸計(jì)算滲透率，測量結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中。使用很小的壓差可以減少非達(dá)西流態(tài)的影響，改變孔隙壓力進(jìn)行多點(diǎn)測量，即可采用常規(guī)方法計(jì)算克氏滲透率。設(shè)想一個(gè)小的壓力脈沖信號(hào)作用在巖心夾持器樣品上流已知壓力容器V1，當(dāng)孔隙流動(dòng)介質(zhì)在孔隙壓力和脈沖壓力驅(qū)動(dòng)下穿過樣品進(jìn)入下流已知壓力容器V2時(shí)，樣品滲透率便可由樣品上流壓力容器V1的壓力隨時(shí)間的衰變特性來確定（見圖3）。

圖3 樣品滲透率計(jì)算示意圖

（3）實(shí)驗(yàn)步驟：

①巖心在＜100 ℃條件下烘干稱重，質(zhì)量穩(wěn)定后，將干燥的巖心進(jìn)行核磁共振測試，直到巖心洗油、洗鹽達(dá)到干凈標(biāo)準(zhǔn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)是核磁檢測無信號(hào)。用PDP-200 型氣體滲透率測量儀測試巖心氣體滲透率，作為巖心的初始滲透率K1。

②對于水敏性實(shí)驗(yàn)，將巖心依次抽真空、高壓飽和地層水、1/2 倍模擬地層水（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5 %KCl 溶液）、蒸餾水，在地層溫度下各自反應(yīng)48 h 以上；對于鹽敏性實(shí)驗(yàn)，將巖心依次抽真空、高壓飽和地層水（模擬地層水）、3/4 地層水（3/4 倍地層水礦化度）、次地層水（1/2 倍地層水礦化度）、1/4 地層水（1/4 倍地層水礦化度）和去離子水（蒸餾水），在地層溫度下各自反應(yīng)20 h 以上；對于酸敏性實(shí)驗(yàn)，將巖心抽真空、高壓飽和土酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12 %HCl+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %HF 溶液），在地層溫度下反應(yīng)2 h～3 h 以上；對于堿敏性實(shí)驗(yàn)，將巖心依次抽真空、高壓飽和pH=9、11、13 的堿液，在地層溫度下各自反應(yīng)48 h 以上。實(shí)驗(yàn)浸泡過程中巖心用熱縮管包裹，預(yù)防巖石顆粒松散。

③巖心用無水乙醇浸泡48 h 以上清洗鹽水，至少2 次以上。清洗后巖心在＜100 ℃烘干稱質(zhì)量，直到質(zhì)量恒定，核磁檢測無信號(hào)；再用PDP-200 型氣體滲透率測量儀測試巖心氣體滲透率，水敏/鹽敏/堿敏需要多循環(huán)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)步驟②、步驟③。分別記錄工作液反應(yīng)后的滲透率為K2、K3…。

④對于應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，依據(jù)步驟①進(jìn)行洗油、烘干；將實(shí)驗(yàn)巖心夾持器內(nèi)壓設(shè)置為10 MPa（近似為儲(chǔ)層原始孔隙壓力），有效應(yīng)力系數(shù)取平均值0.5（實(shí)驗(yàn)測試值為0.4～0.6），實(shí)驗(yàn)測試方法見文獻(xiàn)，取圍壓分別為15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa，即巖心有效應(yīng)力分別為10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa，分別測定各壓力點(diǎn)下的滲透率值。

⑤數(shù)據(jù)處理，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358-2010“ 儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法”[15]評價(jià)其損害程度。

每次實(shí)驗(yàn)過程中盡量保持巖心驅(qū)替方向、上下方位不變。

2.2 儲(chǔ)層敏感性評價(jià)

按照SY/T 5358-2010“ 儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見表1），鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC組長7 陸相頁巖14 塊巖心敏感性評價(jià)結(jié)果（見表2、圖4）表明：頁巖水敏損害9.76 %～25.32 %，損害程度為弱；頁巖鹽敏損害率25.93 %～51.57 %，損害程度為中等～中等偏弱；頁巖堿敏損害率為23.94 %～44.25 %，損害程度為中等偏弱；頁巖土酸酸敏損害6.38%～12.96%，損害程度為弱；頁巖應(yīng)力敏感評價(jià)采用李傳亮方法[16]，應(yīng)力敏感損害為18.47 %～24.50 %，損害程度為中等。

表1 儲(chǔ)層敏感性評價(jià)方法

3 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 段陸相頁巖黏土礦物含量高，黏土礦物成分以伊利石為主，層系中發(fā)育兩類典型的孔隙特征：一類為富含介孔、宏孔，而另一類富含為介孔、宏孔和微孔，含有微孔的層段具有更大的微孔孔容、比表面積和有效孔隙體積，為優(yōu)質(zhì)層段。

（2）鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)YC 組長7 段陸相頁巖敏感性由強(qiáng)到弱依次為：鹽敏＞堿敏＞應(yīng)力敏感＞水敏＞酸敏，開發(fā)中需要考慮鹽敏和堿敏，適當(dāng)考慮應(yīng)力敏感，以往實(shí)驗(yàn)研究沒有確保實(shí)驗(yàn)巖心有效應(yīng)力與儲(chǔ)層實(shí)際條件的統(tǒng)一，容易夸大頁巖的應(yīng)力敏感性。