鄂爾多斯盆地陜北地區延長組致密砂巖儲層敏感性評價

王玉霞, 周立發, 焦尊生，尚慶華，黃生旺

1.大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，西安 710069 2.陜西省能源化工研究院，西安 710069 3.懷俄明大學能源學院，美國懷俄明州拉勒米 82071 4.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710075

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國致密砂巖油藏分布的典型代表區域。據不完全統計[1]，截止2015年底，陜北地區中生界已探明石油儲量為54.6億t，其中70%以上的油氣資源賦存在延長組致密砂巖中。油氣藏投入開發后，致密砂巖儲層由于其超低的孔滲、多樣化的礦物組成、復雜的孔隙結構[2-4]，使儲層與外來流體相互作用或地層壓力狀態發生改變，并引起儲層孔隙度和滲透率的敏感性變化，進而導致油層產能不同程度地被損害[5]。所以，鄂爾多斯盆地陜北地區延長組致密砂巖儲層敏感性評價至關重要。然而，長4+5儲層作為陜北地區主力產油層之一，至今尚未見系統的儲層敏感性研究。本文選取陜北地區某油田長4+5儲層巖樣，在儲層物性、巖石學、孔隙結構特征研究的基礎上，基于大量的天然巖心驅替實驗，開展儲層敏感性評價研究。這不僅為該區油氣勘探開發提供理論依據，也可為同類油藏提供借鑒參考。

1 儲層基本特征

1.1 巖石學特征

儲層巖石類型、礦物組成等影響著儲層的孔隙結構和儲層物性[6-7]。研究區長4+5致密砂巖儲層具長石質量分數高、石英質量分數低、巖屑質量分數中等的特點，且巖屑主要為變質巖屑和云母類。巖石類型為細粒長石砂巖；磨圓度以次棱角狀為主，分選較差；成分成熟度偏低，結構成熟度為中等。

利用X射線衍射物相分析技術對研究區長4+5巖樣進行物相定量檢測(圖1)。檢測結果顯示：研究區長4+5儲層斜長石質量分數較高，平均為51.64%；石英和正長石次之，平均質量分數分別為26.34%、13.87%；且含有酸敏礦物鐵白云石以及少量黏土礦物。所含黏土礦物主要有綠泥石、高嶺石、伊利石、綠/蒙混層和少量的伊/蒙混層。綠泥石平均相對質量分數為67.39%；高嶺石平均相對質量分數為10.10%；伊利石平均相對質量分數為7.05%；無蒙脫石，蒙脫石主要以綠/蒙混層和伊/蒙混層的形式存在；綠/蒙混層相對質量分數為8.00%～21.00%，平均為12.59%；伊/蒙混層相對質量分數較小，平均為2.87%。

1.2 孔隙結構特征

孔隙結構特征可從微觀上反映儲層孔隙與喉道的幾何形態、大小、分布及相互連通情況。研究區長4+5儲層孔隙類型有粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔、晶間孔、雜基溶孔和微裂隙，以粒間孔為主，其次為長石溶孔和巖屑溶孔(圖2)。

通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察，陜北地區長4+5儲層砂巖顆粒之間接觸關系以點至線狀為主；膠結類型以孔隙至薄膜型為主；喉道以片狀細喉道為主。

壓汞資料分析表明，研究區長4+5油層排驅壓力為0.22～0.49 MPa，喉道中值半徑平均為0.55 μm，喉道分選好，分選系數為2.79，孔隙直徑為10.00～100.00 μm，平均為55.7 μm，屬中孔細喉型孔喉組合。

典型壓汞毛管力曲線(圖3)形態整體靠近右上方，且呈現出明顯的起始“垂直上升期”和中部“爬坡期”。此特征說明研究區儲層孔道大小分布不集中，分選差，偏于細歪度，且在東部地區孔隙結構較好，向西變差。

a.礦物質量分數; b. 黏土礦物質量分數。圖1 研究區X射線衍射物相定量分析Fig.1 X-ray diffraction phase quantitative analysis in the study area

圖2 陜北地區長4+5儲層孔隙類型Fig.2 Pore types of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

圖3 陜北地區長4+5儲層典型毛管壓力曲線Fig.3 Typical capillary pressure curves of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

1.3 物性特征

研究區長4+5儲層100余塊巖心分析資料顯示，儲層滲透率集中為(0.10～1.00)×10-3μm2, 平均滲透率0.41×10-3μm2；孔隙度集中為8.0%～12.0%，平均11.2%。從巖樣滲透率、孔隙度分布圖(圖4)中可以看出，滲透率與孔隙度無明顯的對應變化關系，即滲透率受孔隙度控制作用不明顯[8]，這是致密儲層的物性特征。引起此變化的主要原因在于研究區巖樣喉道半徑較小，且分布范圍較窄。致密儲層中喉道是控制儲層滲透性能的主因[9]。

圖4 陜北地區長4+5儲層孔滲參數分布Fig.4 Porosity and permeability distribution of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

2 儲層敏感性評價

據石油天然氣行業標準SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》[10]對儲層巖樣進行敏感性評價。實驗所用流體均為按地層流體分析結果進行配置的模擬油、模擬地層水。所用巖樣均為研究區不同取樣井的長4+5儲層天然巖樣。

2.1 流速敏感性

流體以一定的速度流經儲層時，必然會引起儲層顆粒的運移，進而堵塞孔隙吼道，造成儲層滲透能力下降[11-12]。速度不同，引發的滲透率損害程度不同。一般用巖樣的速敏損害率(Dv)來表征其滲透能力的損壞程度。 若不同流速下巖樣的滲透率損害率(Dvn)為

(1)

則Dv=(Dv1,Dv2,Dv3，...，Dvn)max×100%。

(2)

式中：Kn為巖樣滲透率(不同流速下測得)，10-3μm2；Ki為初始滲透率，10-3μm2。

速敏實驗結果(圖5)表明，巖樣的速敏損害率近50%，屬于中等偏強。且損害程度與巖心初始滲透率密切相關。初始滲透率越低，其損害程度越高。以Dvn超過20%(滲透率比值低于80%)時的上一實驗流速作為該巖樣在此實驗條件下的臨界流速，本次速敏評價實驗的臨界流速為1.0 mL/min。

圖5 速敏實驗曲線Fig.5 Velocity sensitivity experiment curve

2.2 水敏感性

當注入流體礦化度較低時易引起黏土礦物的水化、膨脹、分散和運移，導致儲層滲透性能下降。表征巖樣的水敏感性的參數為水敏損害率(Dw):

(3)

式中，Kw為巖樣經蒸餾水測得滲透率，10-3μm2。

水敏實驗結果(圖6)表明，巖樣的水敏損害率近40%，反映該區致密儲層的水敏性屬中等偏弱。

PV為注入流體總量占巖樣孔隙體積的倍數的單位。圖6 水敏實驗曲線Fig.6 Water sensitivity experiment curve

2.3 鹽度敏感性

當注入流體礦化度與地層流體不配伍時易引起黏土顆粒的分散、運移，由此改變流體滲流通道，進而降低儲層滲透性能。表征巖樣的鹽敏感性的參數為鹽敏損害率(Dsn):

(4)

式中，Ksn為不同礦化度鹽水測得滲透率，10-3μm2。

由于該區巖樣水敏損害率超過20%，具中等偏弱水敏，所以必須進行鹽度降低敏感性評價實驗，以保證鹽敏損害程度的對比基數是相對準確的。

實驗結果(圖7)表明，隨注入流體礦化度降低，巖樣的滲透率降低。以鹽敏損害率大于20%時的上一實驗流體礦化度作為該巖樣在此實驗條件下的臨界礦化度，本次鹽敏評價實驗的臨界礦化度為8 500 mg/L。

圖7 鹽敏實驗曲線Fig.7 Salt sensitivity experiment curve

2.4 酸敏感性

當注入流體呈酸性時，易與儲層或地層流體發生反應，產生沉淀或使儲層礦物顆粒脫落，最終導致儲層滲透率發生變化。一般用巖樣的酸敏損害率(Dac)來表征其滲透能力的損壞程度：

(5)

式中，Kacd為酸液處理后滲透率，10-3μm2。

酸敏實驗結果(圖8)顯示，由于實驗樣品的礦物質量分數不同，其酸敏損害率分別為-46%、11%和6%，表現出的酸敏強度為無酸敏到弱酸敏。

圖8 酸敏實驗曲線Fig.8 Acid sensitivity experiment curve

2.5 堿敏感性

注入流體呈堿性時，與儲層及地層流體發生反應，產生沉淀或使儲層礦物顆粒脫落，堵塞孔隙吼道，最終導致儲層滲透能力發生變化。一般用巖樣的堿敏損害率(Dal)來表征其滲透能力的損壞程度。若不同pH值堿液下巖樣的滲透率損害率(Daln)為

(6)

則Dal=(Dal1,Dal2,Dal3，...，Daln)max×100%。

(7)

式中，Kaln為不同pH值堿液下測得巖樣滲透率，10-3μm2。

堿敏實驗結果(圖9)表明，初始滲透率為0.630×10-3、0.222×10-3、0.160×10-3μm2的3塊巖樣的堿敏損害率分別為10.0%、23.4%和23.8%，屬于弱堿敏性。且損害程度與巖心初始滲透率密切相關。初始滲透率高，其損害程度弱。以Dal超過20%時的上一實驗流體pH值作為該巖樣在此實驗條件下的臨界pH值，本次堿敏評價實驗的臨界pH值為8.5。

圖9 堿敏實驗曲線Fig.9 Alkali sensitivity experiment curve

2.6 壓力敏感性

油田投入開發后，地層壓力將發生變化，作用于儲層顆粒的有效應力隨之改變，并引起儲層巖石顆粒的不可逆微變形，最終導致滲透率發生變化[13-14]。通過巖樣的壓敏損害率(Dst)來表征儲層的壓力敏感性強度。若不同凈應力下的壓敏損害率(Dstn)為

(8)

則Dst=(Dst1,Dst2,Dst3,...,Dstn)max×100%。

(9)

式中，Kstn為不同凈應力下的巖樣滲透率，10-3μm2。

本次實驗采取圍壓變化方式來進行不同凈應力模擬。實驗結果(圖10)顯示，4塊巖樣的壓敏損害率為24%～91%，而致密巖樣壓敏損害率均在75%以上，屬強壓敏性。隨著凈上覆壓力的增加，所有巖樣的滲透率均下降，且下降幅度“先大后小”。另外，壓敏性與巖心滲透率有必然聯系。滲透率高，其壓力敏感性弱；反之，壓力敏感性強。因此，對致密砂巖儲層，儲層的壓力管理顯得尤為重要。

圖10 壓敏實驗曲線Fig.10 Pressure sensitivity experiment curve

3 儲層敏感性形成機理

儲層敏感性主要受控于儲層巖石礦物組成、孔喉結構以及流體性質。從儲層基本特征出發，結合敏感性評價實驗結果，分析敏感性形成機理。

3.1 速敏形成機理

引起研究區儲層速敏的內在因素主要包括黏土礦物和孔喉分布。

X衍射物相分析得出該區黏土填隙物有伊利石、高嶺石、綠泥石、綠/蒙混層和少量的伊/蒙混層；而由不穩定組分——長石溶蝕形成的副產物高嶺石(圖11a、b)，由于其晶片間靠分子鍵連接，連接力較弱。當流體流動時，顆粒容易被流體沖刷、運移，易運移的顆粒物加之半徑較小的喉道，將比較容易形成橋堵，引起儲層速敏。而綠泥石(圖11c、d)、綠/蒙混層等與碎屑顆粒鏈接較強且不易發生遷移[15-16]，則不會引起速敏。

3.2 水敏及鹽敏形成機理

黏土礦物以及儲層孔隙結構是陜北地區延長組致密砂巖儲層水敏及鹽敏的主控因素。水敏是由于黏土礦物遇水膨脹引起；而鹽敏除了水化膨脹堵塞吼道外，礦化度改變引起的儲層流體離子強度突變同樣也會造成蒙皂石、伊/蒙混層礦物的擴散運移。黏土礦物的膨脹能力由強至弱依次為：蒙脫石、伊/蒙混層、綠/蒙混層，而綠泥石、伊利石的膨脹性很弱，高嶺石遇水不膨脹[16]。

根據黏土礦物組成分析結果(圖12)，得出造成該區儲層水敏及鹽敏的主要因素是綠/蒙混層及伊/蒙混層礦物的存在。值得提及的是，該研究區儲層黏土絕對質量分數為0.8%～2.6%，這也是巖樣水敏性相對較弱的原因。

3.3 酸敏形成機理

研究區巖樣顯示無酸敏到弱酸敏，分析認為主要是由于引起酸敏的礦物成分及質量分數不同造成的。3組實驗中，發生弱酸敏的2組巖樣的成分中酸敏礦物鐵白云石的質量分數分別為1.33%和1.55%，黏土礦物的質量分數分別為1.08%和1.16%(其中主要酸敏礦物綠泥石(圖11c、d)的質量分數分別占70.00%和76.00%)；而未表現出酸敏的巖樣成分中不含酸敏礦物鐵白云石，且其黏土礦物的質量分數明顯低于前兩者，為0.81%(其中綠泥石的質量分數占60.00%)。另外，未表現出酸敏的巖樣中的方解石質量分數為1.53%，明顯高于發生酸敏的2組巖樣中方解石的質量分數(0%和0.45%)。通常情況下，方解石與酸反應不會產生一次沉淀，因此分析認為前述未表現出酸敏巖樣的溶蝕作用大于堵塞作用，滲透率反而得到了提高。

a.長石顆粒被溶蝕；b.粒間孔隙中充填高嶺石; c. 粒間充填綠泥石；d. 顆粒表面附綠泥石。圖11 陜北地區長4+5儲層掃描電鏡照片Fig.11 Scanning electron microscopy (sem) images of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area

圖12 具水化膨脹能力的黏土礦物相對質量分數Fig.12 Relative contents of clay minerals of hydration swelling capacity

回壓不變，圍壓pc(a)

對于研究區巖樣發生酸敏的機理，主要是因為在酸性環境下，鐵白云石和綠泥石等酸敏礦物中的Fe3+會逐漸析出，隨著反應的進行，環境的酸性減弱，而OH-質量分數逐漸增加，加大了Fe3+與OH-的反應機會，最終生成Fe(OH)3膠體沉淀堵塞喉道，造成儲層傷害。

3.4 堿敏形成機理

堿敏形成機制主要源于堿液對石英、長石以及黏土礦物等不穩定礦物的溶解作用[14]。溶解作用產生的硅、鋁在堿性環境中以膠體或顆粒的形式沉淀在孔喉處，對儲層滲透率產生影響。除此，堿度過高的注入液使大量的OH-依附于黏土礦物表面，增加礦物晶體層間斥力，將誘發黏土礦物水化分散、結構失穩，大大增加顆粒堵塞儲層孔道的可能性。

3.5 壓敏形成機理

研究區致密儲層具有極其復雜的孔喉結構以及極易受壓變形的片狀喉道，加上巖石礦物中云母、黏土等塑性礦物的存在，是造成其具有壓力敏感性的主要原因。其壓敏程度主要依賴于孔喉結構、巖石組分及外界壓力。本次實驗以定回壓(pb)、變圍壓(pc)的方式進行。則巖樣的有效應力(peff)為：peff=pc-pb。圍壓越大，巖樣的有效應力也越大。研究發現，隨有效應力的增大，顆粒間相對位置發生變化，喉道收縮變形，同時塑性礦物被擠壓變形，甚至破碎[16](圖13)，最終導致大量的孔喉被堵塞，引起滲透能力的下降。

4 結論

1)陜北地區延長組長4+5致密儲層的敏感性主要表現為：中等偏強速敏、中等偏弱水敏、無酸敏到弱酸敏、弱堿敏、強壓敏。3個特征臨界值為：臨界流速1.0 mL/min、臨界礦化度8 500 mg/L、臨界pH值為8.5。

2)礦物組成及孔喉結構特征是陜北地區延長組長4+5致密儲層產生敏感性的主控內在因素。其中，長石溶蝕形成的副產物高嶺石極易發生運移，是引起儲層速敏的主要原因；伊/蒙混層、綠/蒙混層的存在是造成儲層水敏和鹽敏的主要因素，而較低的黏土礦物質量分數又決定了其水敏性不強；鐵白云石和綠泥石等酸敏礦物是引起儲層酸敏的主要礦物成分，而方解石的存在一定程度上抵消了酸敏造成的儲層傷害；孔喉結構復雜，片狀喉道受壓易變形，加上云母、黏土等塑性礦物的存在是造成儲層具有強壓敏的主要原因。