硬石膏膠結的低滲透砂巖油藏水敏性傷害的微觀機理

董沅武， 柳建新*， 牟莎莎， 陳金建， 劉 航

(1.長江大學石油工程學院， 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研究院， 武漢 430035)

低滲透砂巖油藏在全球油氣資源發展中占有重要地位[1]。與常規砂巖油藏相比，低滲透砂巖油藏的特殊性[2-3]決定了儲層開發過程中一般需要一定的增產措施才能獲得工業產能[4-5]。水力壓裂是低滲透砂巖油藏增產的有效方式，但是壓裂增產效果受多種因素影響[5]，了解儲層傷害機理，對儲層進行有目的性的保護有重要的研究意義。

文獻[6-8]通過敏感性評價試驗方法對含江漢油田硬石膏膠結的低滲透油藏注水開發過程中儲層傷害機理進行了研究，認為主要傷害機理是黏土礦物水化膨脹的結果，但這與該區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儲層傷害的影響，難以有效解決壓裂增產效果較差的問題。為此，結合相關地區地質資料，并以江漢油田江陵凹陷目標油藏的天然巖心為研究對象，同時結合薄片分析、原位掃描電鏡等方法從微觀角度對儲層傷害機理進行分析，并提出解決措施。

1 儲層特征

1.1 區域地質概括

江陵凹陷構造位置處于江漢盆地的西部，是江漢盆地最大次級構造單元，整體上是在前白堊系地層基底上發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”特征，整體水介質的古鹽度較高，膏鹽大量發育。

表1 地層流體組成

1.2 敏感性評價

江陵凹陷儲層敏感性評價結果如圖1所示，整體呈現出中偏弱-弱鹽敏、水敏、酸敏，占50%～90%；其次為無堿敏-弱-中偏弱、弱-中偏弱速敏儲層，占40%～42%；中偏強-強速敏、酸敏、堿敏儲層占28%～40%。因此該區塊易發生儲層傷害。

圖1 江陵凹陷儲層敏感性評價柱狀圖

2 巖石礦物組成及孔隙特征

2.1 巖石礦物組成

對目標儲層段取心巖石薄片統計分析(圖2)及X射線衍射(表2、表3)結果認為，儲層為含鈣硬石膏膠結的含云質鮞粒細粒長石砂巖；從巖石結構構造上可以看出膠結物具片狀—細晶結構的細砂狀構造，塊狀構造；儲層礦物組分以石英細砂、斜長石砂屑、白云石粒屑、鉀長石砂屑、硬石膏、方解石為主。儲層砂巖中泥質雜基含量低，一般零星分布在砂屑間隙中；膠結物含量較高，為23%左右，多為硬石膏、方解石、玉髓團粒等。

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

根據壓汞試驗結果分析表明，目標儲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，分選系數介于0.5～1；平均孔隙度為12.25%；平均滲透率為5.0 mD。結合薄片分析(圖2)和掃描電鏡分析(圖3)可以發現該儲層喉道細、孔隙小、連通性差，滲透率低，目標儲層段儲層物性差。

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

3 儲層水敏傷害機理研究

3.1 儲層敏感性分析

敏感性試驗參考行業標準《儲層敏感性流動實驗平價方法》(SY/T 5358—2010)進行，選用目標儲層天然巖心。由試驗結果(表4)可知，該儲層具有弱-中等的速敏、水敏、酸敏及中-偏強的鹽敏。存在水敏性礦物，是弱水敏的原因。

表4 敏感性試驗結果

表5 巖心水敏排出液組成

從而堵塞儲層，因此儲層水敏損害較試驗測得程度偏大。經檢測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移出被來容易堵塞在喉道中。

3.2 原位電鏡掃描試驗

為進一步深入研究目標儲層巖石的傷害機理，利用蔡司EVO-18掃描電鏡對巖樣水化前后進行電鏡掃描，通過原位微觀形貌分析試驗從微觀角度分析水化對儲層巖石的傷害機理。在不同放大倍數下觀察巖樣水化前后表面、孔喉、裂縫的變化。

3.2.1 試驗方法

為清晰方便的觀測到水化前后巖樣同一位置形貌的改變，將待測儲層段巖心洗油后，切割成直徑25 mm、厚度為5 mm的圓柱體巖樣。并將巖樣待測面進行打磨拋光，同時做好標記，以便處理前后巖樣特征點觀測位置保持不變。由于巖樣需要表面不噴金處理，在觀測過程中可通過調節電流大小增加圖片清晰度。

參照儀器使用說明進行測試，原始巖樣在放大一定倍數下選取3～5個特征點。觀測結束后，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 ℃鼓風干燥箱中干燥處理，對純水浸泡后巖樣進行原位微觀形貌分析。

3.2.2 水化過程對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，水化前后巖樣發生了細微的變化，高倍數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小巖石微粒(a3、b1、c2)，部分孔喉處出現顆粒堵塞或顆粒脫落(a1、a2、b2)的現象。表面水敏傷害一方面降低了喉道尺寸進而降低了滲透率，另一方面巖石微粒脫落還可能造成微粒的運移。可以直觀觀察到處理前后儲層損害的全過程，為儲層傷害微觀機理研究提供了有效的試驗依據。

圖4 巖樣特征點水化前的微觀形貌

圖5 巖樣特征點水化后的微觀形貌

4 儲層傷害微觀機理分析

低滲透儲層由于具有孔喉狹小、富含敏感性礦物等特殊性，儲層傷害異常敏感，在開發過程中容易造成二次傷害。在關注入井流體對黏土礦物的影響的同時，還因關注敏感性非黏土礦物的影響，其中硬石膏膠結會造成儲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層水敏損害的主要原因之一。

4.1 硬石膏的水化膨脹機理

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

(1)

(2)

(3)

首先水會進入CaSO4晶格之間，會形成了水化膜夾層引起晶格擴張，巖石體積膨脹；然后當水繼續與CaSO4作用，會生成了石膏(CaSO4·2H2O)，晶體結構增大，巖石體積膨脹。圖4、圖5的原位掃描電鏡測試水化前后巖片微觀形貌的改變(b3、c3裂縫變窄)，在儲層中作為膠結物硬石膏體積膨脹后，會導致原滲流通道變窄，另外水化后石膏強度降低，易從巖石體中脫落運移，堵塞滲流通道，導致儲層滲透率降低。水壓是影響水滲入過程直接外因，水壓的大小會影響硬石膏的含水狀態，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度明顯降低，不利于長期穩定。

4.2 硬石膏的溶解和沉淀機理

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，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象；a3、b1、c2水化后表面附著些許細小的顆粒；a1、a2、b2水化后砂礫脫落現象)，在入井流體注入地層過程時會對地層流體組成、溫度壓力、巖石(新產生的界面)都會產生影響，實際上是一個地層條件下溶解—沉淀的再平衡過程。伴隨著溫度壓力改變，低礦化度流體的進入(原有的化學平衡被打破)，致使地層流體中離子強度降低，石膏溶解度降低，石膏析出(地層結垢)，堵塞孔喉[13]，同時硬石膏作為膠結物，它的溶解也會帶來砂礫脫落，從而導致微粒堵塞。值得一提的是在低礦化度流體進入儲層后，由于CaCl2在溶液中含量較低(3.21 g/L)，其同離子效應影響較弱(增加石膏溶解度)，離子強度(降低石膏溶解度)是影響硬石膏溶解的主導因素。此外伴隨著礦化度降低，CaCO3溶解度也會隨之降低，CaCO3會從溶液中析出，堵塞孔喉，降低儲層的滲透率。

針對硬石膏膠結低滲透油藏開發要采取相應的措施，不僅應加入合適的黏土穩定劑降低黏土礦物水化膨脹的影響，還應加入合適的阻垢劑，防治石膏引起的儲層傷害問題。

4.3 黏土礦物的水化膨脹和運移

不同黏土礦物對儲層會造成不同的損害影響，同時黏土礦物產狀也會有不同的損害影響。由X射線衍射可知，目標儲層中主要存在伊利石，伊蒙混層和綠泥石。結合相關研究可知，黏土礦物水化后層間距變大，導致孔隙變小，失穩后脫落的黏土礦物和砂粒運移，則會堵塞喉道，降低儲層滲透率，造成儲層傷害。

當低于臨界飽和度的外來流體進入儲層與伊利石接觸后，地層流體礦化度會降低，溶液溶解度升高，使伊利石晶片之間的連接力減弱，增加擴散層間距，斥力增加，導致伊利石失穩，脫落，分散運移，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 結論

(1)微觀機理研究證實，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/運移、溶解再沉淀導致的水敏損害是儲層傷害的主要原因。

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

(3)對具有明顯成垢傾向的儲層進行壓裂作業時，不僅需要加入黏土穩定劑降低黏土礦物水化膨脹的影響，同時還需要加入合適的阻垢劑降低儲層傷害。

(4)對硬石膏膠結的低滲透儲層開發過程中因采取相應的措施，防治石膏引起的儲層傷害問題。