鄂爾多斯盆地中部上古生界盒8段儲(chǔ)層特征及敏感性分析

趙 航,羅騰躍,魏 虎,李 洲

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075;2.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院,河南南陽(yáng) 473000)

鄂爾多斯盆地是我國(guó)主要的含油氣盆地之一,上古生屆氣藏巖性較為致密,儲(chǔ)層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、滲流能力弱等問(wèn)題嚴(yán)重制約了致密砂巖油氣藏長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)開(kāi)發(fā)。盒8段作為蘇里格氣田主要的產(chǎn)氣層位之一,大部分井產(chǎn)氣效果并不理想。儲(chǔ)層敏感性是影響油氣田開(kāi)發(fā)的主要因素之一[1],而研究區(qū)儲(chǔ)層致密,孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔隙內(nèi)部比表面積較大,顆粒表面有大量黏土礦物吸附,而黏土礦物是影響儲(chǔ)層敏感性的主要因素之一,大量學(xué)者研究認(rèn)為,黏土礦物的含量、類型等均會(huì)對(duì)儲(chǔ)層敏感性造成影響,從而影響孔隙度和滲透率,降低采收率[2-4],因此,為了解研究區(qū)目的層段產(chǎn)氣差的原因,本文應(yīng)用X衍射、全巖定量分析、薄片鑒定、水驅(qū)敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)等方法,開(kāi)展儲(chǔ)層特征研究并進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn),明確儲(chǔ)層特征及其敏感性,為合理開(kāi)發(fā)方式的選擇提供一定的借鑒[5-8]。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是一個(gè)古生代穩(wěn)定沉降的多旋回克拉通盆地,包括六個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,即伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶皺帶、伊陜斜坡、天環(huán)凹陷及西緣逆沖帶。三級(jí)構(gòu)造以鼻狀構(gòu)造為主,其中鄂爾多斯盆地中部區(qū)域是延安氣田主要生產(chǎn)區(qū)塊之一,位于伊陜斜坡南部,區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,構(gòu)造斷裂不發(fā)育。經(jīng)過(guò)多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),至晚石炭紀(jì)開(kāi)始自下向上沉積了太原組、山西組、本溪組、石盒子組及石千峰等地層。本次研究的目的層段盒8段為上古生界主要的產(chǎn)氣層段之一,含氣性較好,發(fā)育一套辮狀河三角洲沉積體系,主要為辮狀河三角洲前緣亞相,砂體發(fā)育連續(xù)性較好,總體呈南北向展布。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

分析研究區(qū)目的層段的取心井資料、薄片鑒定資料及其光學(xué)性質(zhì)可知,盒8段巖石石英含量77.36%,長(zhǎng)石含量0.26%,巖屑含量22.38%,膠結(jié)物含量2%～28%,其中膠結(jié)物含量遠(yuǎn)大于雜基。膠結(jié)物主要為伊利石、高嶺石、硅質(zhì)和鐵方解石,鐵白云石、菱鐵礦、磁鐵礦等(表1)。碳酸鹽類膠結(jié)物主要包括鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦等,其中鐵方解石相對(duì)含量較高,鐵白云石在盒8段含量相對(duì)較少。

表1 研究區(qū)盒8段填隙物組分及含量

根據(jù)福克巖石分類法,盒8段巖石類型以巖屑砂巖為主,少數(shù)為巖屑石英砂巖、石英砂巖(圖1)。盒8段儲(chǔ)層砂巖以中-粗粒結(jié)構(gòu)為主,顆粒分選以中等、中等-好為主。磨圓度主要為次棱、次圓-圓狀,巖石結(jié)構(gòu)成熟度和成份成熟度中等。支撐結(jié)構(gòu)主要為顆粒支撐,顆粒間以點(diǎn)線接觸為主,少數(shù)呈線、線-凹凸接觸。膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主,含少量的壓嵌-薄膜式膠結(jié),石英次生加大現(xiàn)象較為普遍。

圖1 盒8段砂巖碎屑百分含量

2.2 黏土礦物類型

通過(guò)研究區(qū)x射線衍射分析、全巖定量分析等資料統(tǒng)計(jì)分析,目的層段黏土礦物含量3.90%～37.80%,平均含量17.15%,黏土類型主要為伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石。其中伊蒙混層相對(duì)含量最大,最高可達(dá)79%,綠泥石、高嶺石次之,相對(duì)含量分別為14.80%和7.50%,伊利石含量最低,為1.54%(表2)。黏土礦物含量在盒8段自下而上逐漸增加。

2.3 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

對(duì)研究區(qū)薄片資料統(tǒng)計(jì)分析可知,盒8段砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育以下四種孔隙:原生粒間孔、次生溶孔、晶間孔和微裂隙。其中以次生溶孔和晶間孔為主,其次是原生粒間孔。盒8段孔隙度多分布在1.14%～13.68%,有效儲(chǔ)層平均孔隙度為6.82%,滲透率分布在0.012×10-3～46.900×10-3μm2,有效儲(chǔ)層平均滲透率0.55×10-3μm2,盒8段屬于低-特低孔、特低滲儲(chǔ)層(圖2)。由滲透率和孔隙度交會(huì)圖可知,孔隙度和滲透率具有良好的正相關(guān)性(圖3)。

圖2 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層孔隙度與滲透率分布頻率

圖3 孔隙度和滲透率交會(huì)

根據(jù)壓汞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析,盒8段砂巖儲(chǔ)層排驅(qū)壓力范圍在0.03～98.18 MPa,平均4.27 MPa。最喉道直徑一般小于6 μm,中值孔喉半徑主要分布在 0.01～0.63 μm,平均0.03 μm,歪度系數(shù)分布在1.73～3.98,平均2.35。盒8段砂巖中值孔喉半徑和歪度系數(shù)分布范圍較大,表明該區(qū)上古生界主要儲(chǔ)層喉道分布不均勻(表3)。

表3 研究區(qū)盒8段壓汞參數(shù)統(tǒng)計(jì)

分選系數(shù)和均值系數(shù)可以反映孔喉分布的均勻程度,分選系數(shù)越小、均值系數(shù)越大,孔喉分布越均勻[9-10]。分析壓汞曲線形態(tài)特征可知,研究區(qū)盒8段砂巖儲(chǔ)層孔喉分布不均勻,孔喉連通情況較差?？傮w來(lái)看,該區(qū)上古生界盒8段儲(chǔ)層巖性致密,孔隙度低,以小孔為主,喉道半徑較小且分布不均勻,分選性較差(圖4)。

圖4 研究區(qū)上古生界盒8段壓汞曲線形態(tài)

3 儲(chǔ)層敏感性

儲(chǔ)層敏感性是指在油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,注入流體與儲(chǔ)層發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng),使儲(chǔ)層的孔隙度和滲透性發(fā)生變化,因此,需明確儲(chǔ)層的敏感性及其影響因素。儲(chǔ)層敏感性主要包括速敏、水敏、酸敏、鹽敏和堿敏。

3.1 速敏性

注入流體的速度改變滲透率的現(xiàn)象稱為速敏[11]。在進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)之前,應(yīng)該先排除流體流動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層敏感性的影響因素,在室溫25 ℃時(shí),用礦化度21 739.30 mg/L模擬地層水。在不同流速下進(jìn)行速敏性實(shí)驗(yàn),確定臨界流速,為其他敏感性實(shí)驗(yàn)消除速敏影響。研究區(qū)儲(chǔ)層速敏指數(shù)26.02%～34.96%,主要為中等偏弱速敏(表4),其中最大臨界流速為0.2 mL/min。因此,在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,注水速度不應(yīng)超過(guò)最大臨界流速,以此保護(hù)儲(chǔ)層免受速敏傷害。

表4 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層速敏性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層模擬地層水速敏性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層鹽敏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

研究區(qū)速敏礦物主要為高嶺石(相對(duì)含量7.5%),伊利石(相對(duì)含量1.54%)。高嶺石和伊利石雖為非膨脹性的礦物,但是穩(wěn)定性較弱,在流體的作用力下,易沿解理脫落,分散成鱗片狀的微粒,當(dāng)微粒直徑大于孔喉直徑時(shí),其分散運(yùn)移時(shí)易發(fā)生“橋堵”,降低滲透率[12]。此外,高嶺石遇水脫落,容易使石英顆粒固結(jié)程度降低,也發(fā)生微粒脫落,降低滲透率。研究區(qū)的伊蒙混層的含量較高(83%),控制該區(qū)儲(chǔ)層速敏性。此外,目的層段的儲(chǔ)層巖性較為致密,黏土礦物多呈薄膜式產(chǎn)出,成巖固結(jié)程度較為緊實(shí)。在流體剪切力的作用下,不易脫落,雖含速敏性礦物,但是相對(duì)含量均不高,故儲(chǔ)層速敏性為中等偏弱-弱。

3.2 水敏

水敏是指黏土礦物遇水后產(chǎn)生膨脹、分散或絮凝等不穩(wěn)定現(xiàn)象,導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降。黏土礦物中,蒙脫石、伊利石和伊蒙混層屬于膨脹型礦物,損害機(jī)理為吸水膨脹、堵塞狹小喉道,降低儲(chǔ)層滲透率。其中蒙脫石產(chǎn)生強(qiáng)水敏,其次是伊利石。研究區(qū)水敏礦物主要為伊蒙混層、伊利石等黏土礦物,掃描電鏡下呈不規(guī)則片狀,略有彎曲,呈粒表薄膜狀及粒間襯墊狀產(chǎn)出,相對(duì)含量最高,與研究區(qū)水敏評(píng)價(jià)結(jié)果相符合(圖5)。

a.伊蒙混層及少量伊利石等黏土礦物發(fā)育;b.層片狀礦物充填粒間,受擠壓變形,局部見(jiàn)伊利石、伊蒙混層等黏土礦物發(fā)育,見(jiàn)石英加大;c.巖性致密,孔隙發(fā)育差,殘余粒間孔為主,其次為顆粒內(nèi)溶孔等溶蝕孔隙,見(jiàn)層狀晶間微裂縫,局部見(jiàn)大量伊利石、綠泥石、伊蒙混層等黏土礦物覆于粒表或充填孔隙;d.殘余粒間孔及少量粒內(nèi)溶孔,見(jiàn)伊利石、高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物發(fā)育;e.伊利石、伊蒙混層等黏土礦物,呈粒表薄膜狀及粒間襯墊狀產(chǎn)出;f.巖性致密,孔隙發(fā)育差,局部見(jiàn)大量伊利石、伊蒙混層等黏土礦物覆于粒表或充填孔隙

根據(jù)敏感性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,研究區(qū)盒8段的水敏指數(shù)為38.10%～67.16%,平均46.33%,屬中等偏強(qiáng)或強(qiáng)水敏。因此在后續(xù)油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中,可以在注入液中加入適量防膨劑,保護(hù)儲(chǔ)層,其次在儲(chǔ)層改造中 “適度控液增砂、降低傷害、提高液體返排”,優(yōu)選低傷害壓裂液體系,提高砂比,從而提高單井產(chǎn)量。

3.3 鹽敏

鹽敏指含低礦化度的流體進(jìn)入儲(chǔ)層之后,由于黏土礦物表面的離子濃度高于外來(lái)流體,外來(lái)流體的水被吸附到黏土表面,引起黏土之間的雙電層互斥,使黏土礦物體積增大導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降的現(xiàn)象[13]。

對(duì)于存在水敏的地層,當(dāng)?shù)V化度降低時(shí)會(huì)導(dǎo)致黏土礦物晶層擴(kuò)張?jiān)龃蟆⑴蛎浄稚⒑瓦\(yùn)移;當(dāng)?shù)V化度升高時(shí),黏土礦物顆粒會(huì)收縮、脫落影響滲透率。因此,必須進(jìn)行鹽敏實(shí)驗(yàn),以了解不同礦化度下滲透率變化情況,從而確定臨界礦化度。在0.02 mL/min和0.10 mL/min的流速下分別采用不同的礦化度進(jìn)行鹽敏實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示鹽敏指數(shù)為31.65%～45.07%,平均36.94%,對(duì)照敏感性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層為中等偏弱鹽敏,最大臨界礦化度為16.30 g/L。因此,建議油田注入液體的礦化度大于最大臨界礦化度16.30 g/L,以降低鹽敏損害、提高開(kāi)發(fā)效率。

3.4 酸敏

酸敏指黏土礦物與酸性流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),溶蝕孔隙或生成沉淀堵塞喉道影響儲(chǔ)層滲透率。實(shí)驗(yàn)室使用礦化度21.74 g/L的模擬地層水,在室溫25 ℃的條件下,用15%的HCl進(jìn)行酸敏實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示,酸敏指數(shù)平均為16.88%,儲(chǔ)層表現(xiàn)為弱酸敏。

研究區(qū)的酸敏礦物主要為綠泥石與鐵方解石礦物等,一方面酸性流體與碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)生溶蝕,增大溶蝕孔隙和喉道,使?jié)B透率升高[14];另一方面與富鐵的綠泥石在pH為5～6時(shí),發(fā)生反應(yīng),生成Fe(OH)3膠體,堵塞毛孔,傷害儲(chǔ)層。由表7可以看出,儲(chǔ)層顯示弱酸敏,經(jīng)酸化處理后儲(chǔ)層的滲透率均有所下降,是因?yàn)閮?chǔ)層中發(fā)育綠泥石(14.80%)含量明顯大于鐵方解石(1.67%)等酸敏性對(duì)儲(chǔ)層有所改善的礦物含量,所以顯示為弱酸敏。其中樣品5中綠泥石含量(28.00%)遠(yuǎn)大于樣品2中綠泥石的含量(4.00%),相較于樣品2,樣品5更容易受到酸液影響,酸敏指數(shù)結(jié)果符合預(yù)期。因此,在油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中,謹(jǐn)慎選擇酸化作為儲(chǔ)層改造的手段。

表7 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層酸敏實(shí)驗(yàn)報(bào)告

3.5 堿敏

在油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,大多數(shù)的工作液為堿性,在pH值高的溶液中,與黏土礦物、石英、長(zhǎng)石等物質(zhì)生成硅質(zhì)沉積物,也會(huì)與Ca2+、Mg2+反應(yīng)生成無(wú)法溶解的物質(zhì),這些物質(zhì)會(huì)儲(chǔ)存于孔隙和喉道中,導(dǎo)致滲透率降低[17]。因此需進(jìn)行堿敏實(shí)驗(yàn),確定臨界pH值,提前采取措施,預(yù)防工作液損害儲(chǔ)層。由研究區(qū)堿敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著pH值的不斷增大,滲透率下降,研究區(qū)儲(chǔ)層顯示弱堿敏,主體臨界pH值為10(表8)。研究區(qū)高嶺石和儲(chǔ)層中的硅質(zhì)礦物是造成研究區(qū)堿敏損害的主要黏土礦物,且含量不高(14.18%),與堿敏性結(jié)果符合。

表8 研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層堿敏實(shí)驗(yàn)報(bào)告

3.6 其他敏感性因素分析

黏土礦物的類型、含量以及注入流體的性質(zhì)在一定程度上影響儲(chǔ)層的敏感性,主要是因?yàn)椴煌酿ね恋V物對(duì)于不同類型流體所發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)不同。研究區(qū)敏感性大部分較弱,因此也反應(yīng)了儲(chǔ)層敏感性受多種因素的控制。通過(guò)繪制研究區(qū)孔隙度和敏感性關(guān)系圖,發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層的孔隙度特征與敏感性具有一定的相關(guān)性(圖6),儲(chǔ)層孔隙度越好,敏感性受到的影響越小,孔隙度差的儲(chǔ)層更容易受到外部流體的影響,主要是因?yàn)閮?chǔ)層孔隙度特征與孔喉結(jié)構(gòu)存在一定的相關(guān)性,孔隙度較差的時(shí)候,孔喉結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜,當(dāng)外部流體與其中黏土礦物發(fā)生反應(yīng)時(shí),即使黏土含量不多,也更容易顯現(xiàn)出來(lái),使儲(chǔ)層遭受更大的損害,尤其是因黏土礦物的膨脹、脫落和運(yùn)移時(shí)產(chǎn)生的敏感性,如水敏、速敏、鹽敏等,孔隙度越差,敏感性越強(qiáng),這種規(guī)律就越明顯。但是并非所有孔隙度差的敏感性都強(qiáng),如表6中,在同樣的流速下,樣品10的孔隙度小于樣品9的孔隙度,但樣品10的鹽敏指數(shù)卻小于樣品10的鹽敏指數(shù),因此也反應(yīng)出,儲(chǔ)層敏感性受多重因素控制。

圖6 儲(chǔ)層孔隙度與敏感性關(guān)系

4 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地中部盒8段巖石類型以巖屑砂巖為主,為低-特低孔、特低滲儲(chǔ)層,儲(chǔ)層物性特征相對(duì)較差,喉道半徑較小,孔隙以小孔為主,分選性較差。

2)敏感性實(shí)驗(yàn)表明,鄂爾多斯盆地中部盒8段儲(chǔ)層具有弱-中等偏弱速敏、強(qiáng)-中等偏強(qiáng)水敏、弱酸敏、中等偏弱鹽敏、弱堿敏等特點(diǎn)。研究區(qū)受鹽敏、水敏影響的可能性較大,因此,在后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意水敏、速敏和鹽敏對(duì)儲(chǔ)層的影響,在儲(chǔ)層改造中適度控液增砂,提高砂比,優(yōu)選低傷害工作液,保護(hù)儲(chǔ)層,提高單井產(chǎn)量。

3)儲(chǔ)層的敏感性主要受儲(chǔ)層中黏土礦物類型和含量等因素的影響,儲(chǔ)層物性結(jié)構(gòu)對(duì)敏感性也存在一定的負(fù)相關(guān)性,當(dāng)儲(chǔ)層物性差時(shí),敏感性增強(qiáng)。