臨興地區致密砂巖儲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.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司,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、礦化度等油氣儲層損害機理,七十年代開始將研究成果推廣至現場應用,八九十年代研究認為儲層傷害的最重要因素是微粒運移[1-2]。國內自上世紀六十年代初逐漸開展儲層敏感性相關研究,通過室內實驗,分析了儲層敏感性成因及其對油氣田開發的影響[3-4],目前常規儲層的敏感性研究已取得了相對成熟的認識[5-7]。鄂爾多斯盆地作為我國致密氣勘探開發的“主戰場”之一,近年來盆地東北緣的臨興地區于上古生界致密氣勘探獲得突破,臨興地區致密氣縱向上呈現多套成藏組合特征[8-10],且太原組至石千峰組沉積體系不同,導致巖性多變、黏土礦物存在差異,使得區內致密砂巖儲層敏感性較盆地內致密氣藏更加復雜,影響儲層保護及氣田的高效開發。本文利用X-衍射、薄片鑒定、掃描電鏡、核磁及敏感性等實驗數據,開展臨興地區致密儲層敏感性特征及主控因素分析,以期為該區致密氣勘探開發提供依據。

1 地質概況

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由盆內擴展至盆緣,臨興區塊位于盆地東北部晉西撓褶帶,地層自西向東呈單斜構造,傾角1°～2°,受印支期、燕山期、喜山期三期構造運動影響,發育低幅褶皺[10]。晚古生代以來穩定沉降,經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。研究區物源來自盆地北部的伊蒙隆起,本溪組-太原組為潮坪沉積,發育障壁沙壩、潮汐水道等優勢砂體;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;上石盒子組為淺水三角洲沉積,分支河道物性最優;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集砂體,為致密氣成藏提供了良好的儲集條件,加之盆地邊緣斷裂相對發育,形成了源內、近源、遠源多套成藏組合[11],主要發育太原組太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 儲層特征

受晚古生代沉積環境由海相向陸相演變的影響,研究區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石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖為主變化。平均石英含量由太2段約70%減少至千5段55%,受物源及有機酸溶蝕共同作用,長石含量呈現與石英相反的變化趨勢,遠源的千5段、盒2段、盒4段長石平均含量均超過25%,近源的盒7段、盒8段長石含量約10%,源內的太2段長石含量則急劇減少至小于1%。研究區儲層處于中成巖階段A期-B期,受壓實、膠結、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,蒙皂石逐漸轉化為高嶺石、伊利石,千5段至太2段伊/蒙混層相對含量由40.3%減少至4.1%;上部蒙皂石轉化為高嶺石,下部靠近煤系源巖、地層酸堿性變化,長石溶蝕導致K+含量增多,促進高嶺石向伊利石轉化,導致高嶺石隨埋深呈現先增加后下降趨勢;伊利石隨埋深呈現增加趨勢,最高相對含量大于70%(圖1)。

圖1 臨興地區上古生界致密砂巖礦物含量及孔隙度變化

研究區孔隙度為2%～14%,大部分小于10%。巖石薄片及掃描電鏡觀察表明,臨興地區儲層孔隙受壓實減孔作用和溶蝕增孔作用共同影響,發育原生粒間孔、殘余粒間孔、溶蝕粒間孔、溶蝕顆?？准熬чg孔(圖2),與煤系源巖越近儲層中溶蝕顆?？?、溶蝕粒間孔越多(含量大于60%),埋深變淺,成巖壓實作用減弱,則殘余粒間孔逐漸增多(最高小于30%)。平均孔隙度呈現先增大后減小的變化趨勢(圖1),盒4段平均孔隙度最高(平均10.8%),分析認為可能所受溶蝕增孔作用強于壓實減孔作用。研究區儲層滲透率主要為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,兩者呈正相關關系,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),易剝離運移,使得儲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 臨興地區儲層滲透率與孔喉半徑關系

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×(-),粒間孔隙內充填蜂窩狀伊/蒙混層、自生石英和自生鈉長石;c.X-1井,盒2段,1 502.80 m,7 000×(-),發育較大長石溶蝕孔隙;d.X-2井,盒4段,1 575.33 m,1 600×(-),粒間孔隙內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×(-),長石部分溶蝕,向片狀云母轉化

3 儲層敏感性特征

柱塞樣品洗鹽、烘干后,再利用模擬地層水對其飽和,通過酸、堿和不同礦化度流體開展巖心流動實驗,對比前后滲透率變化,可得到儲層的各類敏感性。統計結果顯示:研究區致密砂巖儲層整體上鹽敏、水敏傷害較強,平均傷害率可達中等-較強,酸敏、堿敏次之,速敏最弱(圖5)?？v向上不同地層間敏感性存在差異,研究區地層年代“老”、成巖作用強,地層水礦化度高達數萬mg/L[12];鹽敏普遍以中等偏強為主;水敏以中等偏弱-中等偏強為主;速敏呈“上下弱,中間強”,盒4段最強;酸敏自上而下大體呈增大趨勢,堿敏逐漸減小,兩者呈現相反變化趨勢(圖6)。統計儲層敏感性與物性關系發現,隨滲透率升高速敏、水敏、酸敏、鹽敏傷害率均呈現先升高后降低的趨勢,敏感性傷害峰值所對應的滲透率為0.4×10-3～0.7×10-3μm2。

圖5 臨興地區致密砂巖儲層不同敏感性傷害率對比

圖6 臨興地區縱向不同地層敏感性傷害率變化

4 儲層敏感性影響因素分析

儲層敏感性表現為敏感性礦物運移堵塞喉道引起滲透率下降,微觀上,儲層敏感性受黏土礦物種類、分布模式及孔隙結構影響[13-16];宏觀上,沉積、成巖共同作用影響黏土礦物、孔隙結構特征,是儲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,研究區蒙脫石主要為原生礦物,大多以雜基、膠結物形式存在,難以移動。水敏主要與伊/蒙混層有關,兩者呈正相關關系(圖7a),自上而下儲層砂巖中伊/蒙混層含量逐漸減少(圖1)與水敏變化趨勢基本一致(圖6),太原組水敏傷害率偏強,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,受控于綠泥石、伊利石含量,綠泥石含量大于40‰時,酸敏傷害率與綠泥石含量基本呈正相關性;綠泥石含量低于40‰時,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增加趨勢(圖7c)。

圖7 黏土礦物各組分絕對含量與敏感性指數關系

研究區黏土礦物的產狀一般分為薄膜式、分散質點式、搭橋式三種類型。綠泥石(圖4a)、部分伊利石會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點的形式充填于砂巖的粒間孔隙(圖4e)、粒內溶孔和鑄?？?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,甚至可直達孔隙空間的彼岸,形成黏土橋(圖4d),它們在孔隙中呈網絡狀分布。相對來說,搭橋式最易運移,堵塞喉道;分散質點式將大孔隙分割成微細孔隙,會降低滲透率;薄膜式減小喉道半徑,可能從顆粒表面脫落、分散、運移。

4.1.2 孔隙結構

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

表1 不同物性巖心敏感性對比

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

沉積微相控制儲層及砂體展布,水動力的強弱影響碎屑顆粒大小、分選及黏土礦物含量的多少。以區內盒4段2小層為例,通過對多口井的沉積微相統計發現:從主河道到河道側緣,再到河道間,隨著水動力減弱,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(表2)。

表2 臨興二開發區盒4段2小層儲層物性及礦物含量統計 %

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果,反映沉積巖目前的基本面貌特征。劃分成巖相時,一般先確定砂巖巖石類型和巖石學特征,再結合砂巖經歷的成巖作用類型、強度、成巖演化史及孔隙演化史,綜合進行成巖相的劃分及命名。成巖過程中壓實、膠結、溶蝕等多重作用耦合導致黏土礦物轉化,孔隙類型、喉道粗細的變化,對儲層物性產生建設性或破壞性作用,進而間接影響儲層敏感性。在對大量偏光薄片、鑄體薄片、掃描電鏡和X-衍射實驗結果統計分析的基礎上,依據研究區儲層成巖作用類型和特征、孔隙成因和物性特征主控因素,將研究區砂巖成巖相劃分為以下四種類型。

1)Ⅰ類硅質膠結粒間孔成巖相: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、長石石英砂巖為主,粒度為中粒-粗粒,填隙物含量低,以點線接觸為主,硅質膠結,抗壓性強,部分原生粒間孔得以保存,連通性好,為流體流動提供通道,利于雜基和膠結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,是研究區物性最好的儲層,孔隙結構特征與圖8a類似,敏感性普遍較弱(表3)。

表3 臨興地區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×(-),水云母泥質與高嶺石混雜分布粒間

2)Ⅱ類長石溶蝕孔成巖相:該類成巖相砂巖中鈉長石、鉀長石等碎屑顆粒在酸性流體作用下,強烈溶蝕產生大量次生溶蝕孔(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?？住２糠蛛s基和火山物質也發生溶蝕形成粒間溶孔,孔隙、喉道大小不一,孔隙結構特征如圖8b,壓實和膠結程度均中等,是研究區物性較好儲層,因顆粒運移,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,壓實作用和膠結作用比Ⅰ、Ⅱ類成巖相強,原生粒間孔基本消失殆盡,以雜基溶蝕孔為主(圖9c),表現為充填在碎屑顆粒間的泥質雜基、蝕變雜基以及假雜基等發生溶蝕形成雜基溶蝕孔,連通孔隙、喉道進一步減少,孔隙結構特征如圖8c所示,小喉道占比高,敏感性普遍較強(表3)。

4)Ⅳ類蝕變雜基充填強壓實致密成巖相:該類成巖相碎屑顆粒呈漂浮狀,基底式膠結。碎屑顆粒多以淺變質塑性軟巖屑為主,云母和塑性軟巖屑在強壓實作用下發生變形、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,主要發育高嶺石晶間孔(圖9d),孔隙結構特征如圖8d所示,孔隙基本不連通,難以充注成藏(表3)。

5 結論與建議

1)臨興地區上古生界沉積經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,酸敏、堿敏次之,縱向地層間酸敏與堿敏呈相反變化趨勢。

2)儲層敏感性受微觀、宏觀兩類因素影響。微觀上受黏土礦物種類、分布及孔隙結構影響,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,自生搭橋式分布的礦物最易運移,堵塞喉道,對小孔喉儲層傷害最強。宏觀上受沉積、成巖作用影響,優勢相帶為硅質膠結粒間孔成巖相,沉積時水動力強,孔隙結構、物性好,敏感性較弱。

3)根據研究區縱向上巖性、物性變化,綜合沉積、成巖作用差異,可開展儲層敏感性預測,為鉆完井、壓裂、生產制定儲層保護措施。但由于儲層敏感性影響因素多、影響機理復雜,難以實現定量預測,將各類影響因素進行標準化,通過人工智能算法實現各類敏感性指數的定量預測是未來致密砂巖儲層敏感性評價的發展方向。