臨興地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層流體敏感性特征分析

周龍剛,葛 巖,仲米劍,胡云亭,劉喜杰,胡 楊

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300457;2.中國石化河南油田分公司采油二廠,河南南陽 473400)

國外于上世紀(jì)五十年代末提出“地層損害”的概念,著手研究pH、礦化度等油氣儲(chǔ)層損害機(jī)理,七十年代開始將研究成果推廣至現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,八九十年代研究認(rèn)為儲(chǔ)層傷害的最重要因素是微粒運(yùn)移[1-2]。國內(nèi)自上世紀(jì)六十年代初逐漸開展儲(chǔ)層敏感性相關(guān)研究,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn),分析了儲(chǔ)層敏感性成因及其對(duì)油氣田開發(fā)的影響[3-4],目前常規(guī)儲(chǔ)層的敏感性研究已取得了相對(duì)成熟的認(rèn)識(shí)[5-7]。鄂爾多斯盆地作為我國致密氣勘探開發(fā)的“主戰(zhàn)場(chǎng)”之一,近年來盆地東北緣的臨興地區(qū)于上古生界致密氣勘探獲得突破,臨興地區(qū)致密氣縱向上呈現(xiàn)多套成藏組合特征[8-10],且太原組至石千峰組沉積體系不同,導(dǎo)致巖性多變、黏土礦物存在差異,使得區(qū)內(nèi)致密砂巖儲(chǔ)層敏感性較盆地內(nèi)致密氣藏更加復(fù)雜,影響儲(chǔ)層保護(hù)及氣田的高效開發(fā)。本文利用X-衍射、薄片鑒定、掃描電鏡、核磁及敏感性等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),開展臨興地區(qū)致密儲(chǔ)層敏感性特征及主控因素分析,以期為該區(qū)致密氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是我國重要的能源基地,近年來致密氣勘探開發(fā)由盆內(nèi)擴(kuò)展至盆緣,臨興區(qū)塊位于盆地東北部晉西撓褶帶,地層自西向東呈單斜構(gòu)造,傾角1°～2°,受印支期、燕山期、喜山期三期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,發(fā)育低幅褶皺[10]。晚古生代以來穩(wěn)定沉降,經(jīng)歷了從陸表海至近海平原,直至陸相三角洲沉積的沉積演化,地層分布穩(wěn)定,自下而上沉積了本溪組(C2b)、太原組(P1t)、山西組(P1s)、下石盒子組(P2x)、上石盒子組(P2s)、石千峰組(P3s),其中本溪組-山西組為海陸過渡相含煤建造,奠定了盆地上古生界致密氣成藏的烴源基礎(chǔ)。研究區(qū)物源來自盆地北部的伊蒙隆起,本溪組-太原組為潮坪沉積,發(fā)育障壁沙壩、潮汐水道等優(yōu)勢(shì)砂體;下石盒子組以辮狀河三角洲沉積為主,水下分流河道物性最優(yōu);上石盒子組為淺水三角洲沉積,分支河道物性最優(yōu);石千峰組以曲流河沉積為主,邊灘物性最好;縱向上多套不同沉積成因的儲(chǔ)集砂體,為致密氣成藏提供了良好的儲(chǔ)集條件,加之盆地邊緣斷裂相對(duì)發(fā)育,形成了源內(nèi)、近源、遠(yuǎn)源多套成藏組合[11],主要發(fā)育太原組太2段,下石盒子組盒8段、盒7段,上石盒子組盒4段、盒2段,石千峰組千5段等六套氣層。

2 儲(chǔ)層特征

受晚古生代沉積環(huán)境由海相向陸相演變的影響,研究區(qū)縱向上巖石碎屑組分存在差異,自下而上巖性由以石英砂巖為主向以長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖為主變化。平均石英含量由太2段約70%減少至千5段55%,受物源及有機(jī)酸溶蝕共同作用,長(zhǎng)石含量呈現(xiàn)與石英相反的變化趨勢(shì),遠(yuǎn)源的千5段、盒2段、盒4段長(zhǎng)石平均含量均超過25%,近源的盒7段、盒8段長(zhǎng)石含量約10%,源內(nèi)的太2段長(zhǎng)石含量則急劇減少至小于1%。研究區(qū)儲(chǔ)層處于中成巖階段A期-B期,受壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕等成巖作用共同影響,不同地層間黏土礦物含量差異明顯,自上而下總體由伊/蒙混層為主向伊利石+高嶺石為主過渡(圖1)。隨埋深增大、成巖作用增強(qiáng),蒙皂石逐漸轉(zhuǎn)化為高嶺石、伊利石,千5段至太2段伊/蒙混層相對(duì)含量由40.3%減少至4.1%;上部蒙皂石轉(zhuǎn)化為高嶺石,下部靠近煤系源巖、地層酸堿性變化,長(zhǎng)石溶蝕導(dǎo)致K+含量增多,促進(jìn)高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致高嶺石隨埋深呈現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì);伊利石隨埋深呈現(xiàn)增加趨勢(shì),最高相對(duì)含量大于70%(圖1)。

圖1 臨興地區(qū)上古生界致密砂巖礦物含量及孔隙度變化

研究區(qū)孔隙度為2%～14%,大部分小于10%。巖石薄片及掃描電鏡觀察表明,臨興地區(qū)儲(chǔ)層孔隙受壓實(shí)減孔作用和溶蝕增孔作用共同影響,發(fā)育原生粒間孔、殘余粒間孔、溶蝕粒間孔、溶蝕顆粒孔及晶間孔(圖2),與煤系源巖越近儲(chǔ)層中溶蝕顆粒孔、溶蝕粒間孔越多(含量大于60%),埋深變淺,成巖壓實(shí)作用減弱,則殘余粒間孔逐漸增多(最高小于30%)。平均孔隙度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)(圖1),盒4段平均孔隙度最高(平均10.8%),分析認(rèn)為可能所受溶蝕增孔作用強(qiáng)于壓實(shí)減孔作用。研究區(qū)儲(chǔ)層滲透率主要為0.01×10-3～10×10-3μm2,大部分小于1.0×10-3μm2,滲透率受孔隙喉道影響明顯,兩者呈正相關(guān)關(guān)系,孔喉中值半徑一般小于1.0 μm(圖3)。孔隙顆粒及表面可見伊利石、高嶺石、綠泥石等鱗片狀、絲片狀自生礦物(圖4),易剝離運(yùn)移,使得儲(chǔ)層具有潛在的流體敏感性。

a.X-1井,千5段,1 420.30 m,100×(-),粒間孔隙,鉀長(zhǎng)石云母化;b.X-2井,盒4段,1 571.67 m,12.5×(-),原生粒間孔為主;c.X-3井,盒7段,1 621.35 m,100×(-),粒間溶孔;d.X-4井,太2段,1 830.83 m,100×(-),顆粒溶孔

圖3 臨興地區(qū)儲(chǔ)層滲透率與孔喉半徑關(guān)系

a.X-3井,千5段,1 252.44 m,1 000×(-),片狀綠泥石充填粒間孔隙并包裹部分顆粒表面;b.X-3井,千5段,1 255.24 m,1 500×(-),粒間孔隙內(nèi)充填蜂窩狀伊/蒙混層、自生石英和自生鈉長(zhǎng)石;c.X-1井,盒2段,1 502.80 m,7 000×(-),發(fā)育較大長(zhǎng)石溶蝕孔隙;d.X-2井,盒4段,1 575.33 m,1 600×(-),粒間孔隙內(nèi)充填絲片狀伊利石和自生石英;e.X-3井,盒7段,1 624.14 m,3 000×(-),粒間孔隙內(nèi)充填絲片狀伊利石和鱗片狀高嶺石;f.X-5井,太2段,1 852.63 m,2 800×(-),長(zhǎng)石部分溶蝕,向片狀云母轉(zhuǎn)化

3 儲(chǔ)層敏感性特征

柱塞樣品洗鹽、烘干后,再利用模擬地層水對(duì)其飽和,通過酸、堿和不同礦化度流體開展巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn),對(duì)比前后滲透率變化,可得到儲(chǔ)層的各類敏感性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層整體上鹽敏、水敏傷害較強(qiáng),平均傷害率可達(dá)中等-較強(qiáng),酸敏、堿敏次之,速敏最弱(圖5)。縱向上不同地層間敏感性存在差異,研究區(qū)地層年代“老”、成巖作用強(qiáng),地層水礦化度高達(dá)數(shù)萬mg/L[12];鹽敏普遍以中等偏強(qiáng)為主;水敏以中等偏弱-中等偏強(qiáng)為主;速敏呈“上下弱,中間強(qiáng)”,盒4段最強(qiáng);酸敏自上而下大體呈增大趨勢(shì),堿敏逐漸減小,兩者呈現(xiàn)相反變化趨勢(shì)(圖6)。統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)層敏感性與物性關(guān)系發(fā)現(xiàn),隨滲透率升高速敏、水敏、酸敏、鹽敏傷害率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),敏感性傷害峰值所對(duì)應(yīng)的滲透率為0.4×10-3～0.7×10-3μm2。

圖5 臨興地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層不同敏感性傷害率對(duì)比

圖6 臨興地區(qū)縱向不同地層敏感性傷害率變化

4 儲(chǔ)層敏感性影響因素分析

儲(chǔ)層敏感性表現(xiàn)為敏感性礦物運(yùn)移堵塞喉道引起滲透率下降,微觀上,儲(chǔ)層敏感性受黏土礦物種類、分布模式及孔隙結(jié)構(gòu)影響[13-16];宏觀上,沉積、成巖共同作用影響?zhàn)ね恋V物、孔隙結(jié)構(gòu)特征,是儲(chǔ)層敏感性的宏觀控制因素。

4.1 微觀影響因素

4.1.1 礦物類型與產(chǎn)狀

敏感性礦物以黏土礦物最常見,吸水膨脹能力依次為蒙脫石>含膨脹層的混層黏土>伊利石>高嶺石,研究區(qū)蒙脫石主要為原生礦物,大多以雜基、膠結(jié)物形式存在,難以移動(dòng)。水敏主要與伊/蒙混層有關(guān),兩者呈正相關(guān)關(guān)系(圖7a),自上而下儲(chǔ)層砂巖中伊/蒙混層含量逐漸減少(圖1)與水敏變化趨勢(shì)基本一致(圖6),太原組水敏傷害率偏強(qiáng),可能由孔、滲較低,伊利石含量異常高引起。酸敏主要和含鐵礦物、碳酸鹽礦物有關(guān),受控于綠泥石、伊利石含量,綠泥石含量大于40‰時(shí),酸敏傷害率與綠泥石含量基本呈正相關(guān)性;綠泥石含量低于40‰時(shí),酸敏傷害率受綠泥石含量、伊利石含量的共同控制(圖7b)。堿敏性礦物主要為高嶺石、蒙皂石、伊利石,研究區(qū)堿敏性主要控制因素為高嶺石,隨著高嶺石含量增加,堿敏傷害率基本也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖7c)。

圖7 黏土礦物各組分絕對(duì)含量與敏感性指數(shù)關(guān)系

研究區(qū)黏土礦物的產(chǎn)狀一般分為薄膜式、分散質(zhì)點(diǎn)式、搭橋式三種類型。綠泥石(圖4a)、部分伊利石會(huì)以黏土薄膜的形式貼附于孔隙壁或顆粒表面;高嶺石、伊利石以及黏土雜基通常以分散質(zhì)點(diǎn)的形式充填于砂巖的粒間孔隙(圖4e)、粒內(nèi)溶孔和鑄模孔;黏土礦物晶體如伊利石、伊/蒙混層自孔隙壁向孔隙空間生長(zhǎng),甚至可直達(dá)孔隙空間的彼岸,形成黏土橋(圖4d),它們?cè)诳紫吨谐示W(wǎng)絡(luò)狀分布。相對(duì)來說,搭橋式最易運(yùn)移,堵塞喉道;分散質(zhì)點(diǎn)式將大孔隙分割成微細(xì)孔隙,會(huì)降低滲透率;薄膜式減小喉道半徑,可能從顆粒表面脫落、分散、運(yùn)移。

4.1.2 孔隙結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)層敏感性由敏感性礦物運(yùn)移堵塞喉道引起,喉道半徑大,則不易堵塞,分析對(duì)比不同物性巖心核磁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),A類儲(chǔ)層(圖8a)大喉道占比高,大于1.0 μm喉道發(fā)育,連通性好,各類敏感性均較弱;B、C類儲(chǔ)層(圖8b、c)大孔喉、小孔喉均發(fā)育,但連通喉道減少,敏感礦物運(yùn)移易堵塞小喉道,速敏、水敏等依次升高;D類儲(chǔ)層(圖8d)大喉道不發(fā)育,小喉道基本不連通,難以充注,為非儲(chǔ)層(表1)。

表1 不同物性巖心敏感性對(duì)比

圖8 不同物性砂巖核磁孔喉半徑分布

4.2 宏觀控制因素

4.2.1 沉積作用

沉積微相控制儲(chǔ)層及砂體展布,水動(dòng)力的強(qiáng)弱影響碎屑顆粒大小、分選及黏土礦物含量的多少。以區(qū)內(nèi)盒4段2小層為例,通過對(duì)多口井的沉積微相統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):從主河道到河道側(cè)緣,再到河道間,隨著水動(dòng)力減弱,碎屑礦物顆粒含量下降,伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石等黏土礦物含量逐漸增多,孔滲變差,喉道逐漸變小,造成各類敏感性普遍增強(qiáng)(表2)。

表2 臨興二開發(fā)區(qū)盒4段2小層儲(chǔ)層物性及礦物含量統(tǒng)計(jì) %

4.2.2 成巖作用與成巖相

成巖相是沉積與后期成巖作用共同作用的結(jié)果,反映沉積巖目前的基本面貌特征。劃分成巖相時(shí),一般先確定砂巖巖石類型和巖石學(xué)特征,再結(jié)合砂巖經(jīng)歷的成巖作用類型、強(qiáng)度、成巖演化史及孔隙演化史,綜合進(jìn)行成巖相的劃分及命名。成巖過程中壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕等多重作用耦合導(dǎo)致黏土礦物轉(zhuǎn)化,孔隙類型、喉道粗細(xì)的變化,對(duì)儲(chǔ)層物性產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性作用,進(jìn)而間接影響儲(chǔ)層敏感性。在對(duì)大量偏光薄片、鑄體薄片、掃描電鏡和X-衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,依據(jù)研究區(qū)儲(chǔ)層成巖作用類型和特征、孔隙成因和物性特征主控因素,將研究區(qū)砂巖成巖相劃分為以下四種類型。

1)Ⅰ類硅質(zhì)膠結(jié)粒間孔成巖相:該類成巖相砂巖以高石英含量為特征,巖石類型以石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖為主,粒度為中粒-粗粒,填隙物含量低,以點(diǎn)線接觸為主,硅質(zhì)膠結(jié),抗壓性強(qiáng),部分原生粒間孔得以保存,連通性好,為流體流動(dòng)提供通道,利于雜基和膠結(jié)物溶蝕形成次生溶蝕孔(圖9a),孔喉粗,不易被剝落的礦物顆粒堵塞,是研究區(qū)物性最好的儲(chǔ)層,孔隙結(jié)構(gòu)特征與圖8a類似,敏感性普遍較弱(表3)。

表3 臨興地區(qū)致密砂巖成巖相類型及敏感性特征

a.X-46井,1 612.72 m,盒4段,100×(-),殘余粒間孔;b.X-28井,1 785.87 m,盒8上段,12.5×(-),長(zhǎng)石顆粒溶蝕;c.X-20井,1 793.70 m,太2段,50×(-),溶蝕粒間孔;d.X-7井,1 813.00 m,盒8上段,100×(-),水云母泥質(zhì)與高嶺石混雜分布粒間

2)Ⅱ類長(zhǎng)石溶蝕孔成巖相:該類成巖相砂巖中鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石等碎屑顆粒在酸性流體作用下,強(qiáng)烈溶蝕產(chǎn)生大量次生溶蝕孔(圖9b),顆粒邊緣被溶蝕后呈港灣狀,也有部分顆粒整體被溶蝕,形成鑄模孔。部分雜基和火山物質(zhì)也發(fā)生溶蝕形成粒間溶孔,孔隙、喉道大小不一,孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖8b,壓實(shí)和膠結(jié)程度均中等,是研究區(qū)物性較好儲(chǔ)層,因顆粒運(yùn)移,小喉道易被堵塞,敏感性普遍中等偏弱以上(表3)。

3)Ⅲ類雜基溶蝕孔成巖相:該類成巖相碎屑顆粒含量較低,填隙物、黏土礦物含量高,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用比Ⅰ、Ⅱ類成巖相強(qiáng),原生粒間孔基本消失殆盡,以雜基溶蝕孔為主(圖9c),表現(xiàn)為充填在碎屑顆粒間的泥質(zhì)雜基、蝕變雜基以及假雜基等發(fā)生溶蝕形成雜基溶蝕孔,連通孔隙、喉道進(jìn)一步減少,孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖8c所示,小喉道占比高,敏感性普遍較強(qiáng)(表3)。

4)Ⅳ類蝕變雜基充填強(qiáng)壓實(shí)致密成巖相:該類成巖相碎屑顆粒呈漂浮狀,基底式膠結(jié)。碎屑顆粒多以淺變質(zhì)塑性軟巖屑為主,云母和塑性軟巖屑在強(qiáng)壓實(shí)作用下發(fā)生變形、破碎、撕裂和位移,蝕變成伊利石和高嶺石等微晶集合體充填孔隙,主要發(fā)育高嶺石晶間孔(圖9d),孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖8d所示,孔隙基本不連通,難以充注成藏(表3)。

5 結(jié)論與建議

1)臨興地區(qū)上古生界沉積經(jīng)歷由海相向陸相演化,受沉積、成巖作用影響,自上而下石英含量逐漸增多,長(zhǎng)石含量逐漸減少,黏土礦物由以伊/蒙混層為主向伊利石+高嶺石為主過渡,粒間孔減少,溶蝕孔增多。不同地層間流體敏感性存在差異,水敏、鹽敏傷害普遍較強(qiáng),酸敏、堿敏次之,縱向地層間酸敏與堿敏呈相反變化趨勢(shì)。

2)儲(chǔ)層敏感性受微觀、宏觀兩類因素影響。微觀上受黏土礦物種類、分布及孔隙結(jié)構(gòu)影響,水敏、酸敏和堿敏傷害率與伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石含量正相關(guān),自生搭橋式分布的礦物最易運(yùn)移,堵塞喉道,對(duì)小孔喉儲(chǔ)層傷害最強(qiáng)。宏觀上受沉積、成巖作用影響,優(yōu)勢(shì)相帶為硅質(zhì)膠結(jié)粒間孔成巖相,沉積時(shí)水動(dòng)力強(qiáng),孔隙結(jié)構(gòu)、物性好,敏感性較弱。

3)根據(jù)研究區(qū)縱向上巖性、物性變化,綜合沉積、成巖作用差異,可開展儲(chǔ)層敏感性預(yù)測(cè),為鉆完井、壓裂、生產(chǎn)制定儲(chǔ)層保護(hù)措施。但由于儲(chǔ)層敏感性影響因素多、影響機(jī)理復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測(cè),將各類影響因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,通過人工智能算法實(shí)現(xiàn)各類敏感性指數(shù)的定量預(yù)測(cè)是未來致密砂巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)的發(fā)展方向。