常天全, 鄒正銀, 孔垂顯, 胡龍杰, 李 勝, 張會勇, 劉燦華, 蔣慶平, 惠 婧

1. 中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院, 新疆 克拉瑪依 834000;2. 河北地質(zhì)大學(xué) 研究生學(xué)院, 河北 石家莊 050031

0 引言

非常規(guī)油氣儲層受到的關(guān)注越來越高, 但非常規(guī)油氣儲層通常具有物性差、 黏土礦物含量高的劣勢,實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)還需進(jìn)一步剖析其微觀特點(diǎn)。 目前多采用水平井體積壓裂來提高非常規(guī)油氣儲層的物性, 而且壓裂工作液的注入也可增加地層壓力、 補(bǔ)充能量[1-5], 但是壓裂過程也有可能產(chǎn)生負(fù)面影響, 特別是對于黏土礦物含量較高的非常規(guī)儲層, 水溶性壓裂工作液注入會對儲層產(chǎn)生嚴(yán)重的水敏傷害, 且會對后續(xù)生產(chǎn)效果產(chǎn)生顯著的影響[6-8]。 論文以瑪湖凹陷發(fā)育有典型致密礫巖儲層的瑪湖1 井區(qū)和瑪東2 井區(qū)為例, 此二井區(qū)的致密礫巖發(fā)育在二疊系烏爾河組, 在對其采用水平井體積壓裂開發(fā)過程中, 實(shí)施水平井常出現(xiàn)含油上升慢、 壓力下降快和井筒易堵塞等問題,大量的生產(chǎn)現(xiàn)象均表明儲層敏感性是重要影響因素之一[9-11], 由此可見, 開展儲層敏感性研究刻不容緩。

目前, 針對致密礫巖儲層敏感性的綜合研究還較為薄弱, 論文以瑪湖1 井區(qū)和瑪東2 井區(qū)的致密礫巖樣品為研究對象, 通過鑄體薄片、 X 衍射和基于核磁的儲層巖石水敏特征定量評價等實(shí)驗手段, 綜合研究并深入剖析瑪湖二疊系烏爾河組致密礫巖的水敏特征, 為致密礫巖油藏穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗測試

實(shí)驗測試采用兩種規(guī)格的巖石樣品, 一種是碎巖石樣, 另一種是粗鉆取柱塞巖樣(圖1)。 首先對柱塞巖樣進(jìn)行線切割得到標(biāo)準(zhǔn)巖心柱塞, 用于后續(xù)的儲層巖石水敏特征定量評價實(shí)驗; 然后處理柱塞巖樣邊角料和碎巖石樣, 分別進(jìn)行鑄體薄片和X 衍射等實(shí)驗測試。

圖1 實(shí)驗中兩種規(guī)格巖樣Fig.1 Rock samples of two specifications in the experiment

鑄體薄片鑒定屬于常規(guī)分析手段, 能夠直觀的反映孔隙結(jié)構(gòu)特征。 論文使用藍(lán)色甲基丙烯酸甲酯單體溶液加壓注入巖石制備鑄體薄片, 具體制備過程不再贅述。

X 衍射實(shí)驗采用D8 DISCOVER X 射線衍射儀。技術(shù)參數(shù): 額定輸出功率3 kW, 電流電壓穩(wěn)定度優(yōu)于±0.005%, 光管類型為Cu 靶, 陶瓷X 光管功率2.2 kW, 掃描方式為θ/θ 測角儀, 精度0.000 1°, 角度重現(xiàn)性0.000 1°, 最大掃描速度1 500°/min, 2θ 轉(zhuǎn)動范圍-10°～168°。

考慮研究區(qū)致密礫巖儲層巖石可能存在強(qiáng)水敏,水敏特征定量評價實(shí)驗首先將巖心抽真空后加壓飽和酒精, 在酒精驅(qū)替形成連續(xù)流動后轉(zhuǎn)注0.5 PV 的傷害性鹽水, 待鹽水在巖心中充分流動后立刻轉(zhuǎn)注酒精進(jìn)行清洗, 對比實(shí)驗傷害前后的巖心狀態(tài)參數(shù), 主要包括巖心的基礎(chǔ)孔滲、 液體飽和孔滲及核磁掃描T2 分布。

基礎(chǔ)孔滲測試設(shè)備為巖心常規(guī)孔滲儀, 主要由巖心孔隙度測定儀和巖心滲透率測定儀兩部分組成。 巖心孔隙度測定儀是基于波義耳定律而設(shè)計制造的, 通過壓力傳感器測出流程中的進(jìn)氣壓力和平衡壓力值。首先利用若干已知體積的標(biāo)準(zhǔn)塊測出儀器系統(tǒng)的標(biāo)定體積值, 之后根據(jù)放入巖心測試的實(shí)驗數(shù)據(jù)即可求得巖心的骨架體積, 進(jìn)而得到巖心孔隙度。 技術(shù)參數(shù):巖心柱塞直徑2.5 cm 或3.8 cm, 長度3 ～10 cm, 氣源為氦氣, 測試壓力0.4 MPa, 電源220 V/50 Hz, 測量精度誤差≤0.5%。 巖心滲透率測定儀是基于達(dá)西定律設(shè)計制造的, 在一定的壓力下使氮?dú)饬鬟^巖心,待氣體在巖心中達(dá)到穩(wěn)定流動后測量巖心兩端壓差和流量, 通過達(dá)西定律計算巖心的氣體滲透率, 技術(shù)參數(shù): 巖心柱塞直徑2.5 或3.8 cm, 長度3～10 cm, 氣源為氮?dú)? 測試壓力為0.6 MPa, 電源電壓220 V 頻率50 Hz, 滲透率測量范圍0.000 5～10 000 mD, 測量精度≤1%。

液體飽和孔滲測試實(shí)驗的巖心驅(qū)替系統(tǒng)流程如圖2 所示。 首先將對應(yīng)的巖心完全飽和煤油, 通過干濕重量對比計算可獲取液體飽和孔隙度, 然后將飽和煤油的巖心放在夾持器中建立單相穩(wěn)態(tài)流動環(huán)境, 即可測試出液體滲透率。

圖2 巖心驅(qū)替系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of core displacement system

核磁掃描T2 分布的檢測設(shè)備為巖心核磁分析儀Meso-MR23, 通過對氫核核磁共振信號強(qiáng)度的觀測,可反算孔隙中流體性質(zhì)及其含量。 技術(shù)參數(shù): 儀器主頻21 MHz, 最小回波間隔60 us, 探頭尺寸1/1.5 in,最大樣品尺寸直徑2.54 cm, 長度5 cm。

2 結(jié)果分析

2.1 巖石學(xué)特征分析

巖心觀察發(fā)現(xiàn), 瑪湖凹陷瑪湖1 井區(qū)和瑪東2 井區(qū)二疊系烏爾河組的典型致密礫巖儲層, 巖石類型主要是含砂礫巖、 中礫巖和含砂細(xì)—中礫巖。 通過鑄體薄片鏡下鑒定可分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成(圖3)。

圖3 瑪湖凹陷二疊系烏爾河組典型致密礫巖鑄體薄片鏡下特征Fig.3 Microscopic characteristics of typical tight conglomerate cast in Permian Wuerhe Formation, Mahu Sag

含砂礫巖以礫石為主, 含少量粗砂(圖3a)。 其中的礫石以巖屑為主, 主要為凝灰?guī)r巖屑和泥巖巖屑, 粒徑2.0～6.0 mm。 砂級顆粒為粗砂, 以凝灰?guī)r巖屑、 泥巖巖屑、 花崗巖巖屑和石英顆粒為主。 顆粒間填充泥質(zhì)膠結(jié)物, 呈泥質(zhì)鱗片結(jié)構(gòu)。 可見方解石交代、 綠泥石蝕變等現(xiàn)象, 孔隙發(fā)育不佳, 偶見粒間孔、 粒緣縫和微裂縫, 孔徑約0.05 mm, 縫寬0.01 ～0.02 mm 左右。

中礫巖也以礫石為主, 含少量粗砂(圖3b)。 礫石粒徑在4.0 ～15.0 mm 之間, 橢圓狀, 順長軸方向排列, 主要為凝灰?guī)r巖屑, 含少量酸性噴出巖巖屑、硅質(zhì)巖巖屑和泥巖巖屑。 粗砂成分為凝灰?guī)r巖屑、 泥巖巖屑和石英顆粒等。 巖石主要成巖作用有壓實(shí)作用、 膠結(jié)作用, 顆粒間以線接觸為主, 少量凹凸接觸, 顆粒間泥質(zhì)膠結(jié)呈泥質(zhì)鱗片結(jié)構(gòu); 孔隙不發(fā)育,連通性差, 基本無粒間孔和粒間溶孔, 偶見粒緣縫和微裂縫, 縫寬一般為0.01 mm, 少量縫寬為0.03 mm左右。

含砂細(xì)—中礫巖以中礫為主, 含部分細(xì)礫和粗砂(圖3c)。 礫石粒徑2.0 ～12.0 mm, 主要為凝灰?guī)r巖屑和泥巖巖屑, 呈橢圓狀、 長圓狀雜亂排列。 粗砂成分主要為凝灰?guī)r巖屑、 泥巖巖屑、 粗粉砂巖巖屑和石英顆粒等。 巖石成巖作用主要有壓實(shí)作用、 膠結(jié)作用、 交代作用, 碎屑顆粒間以線接觸為主, 少量凹凸接觸; 顆粒間充填泥質(zhì)膠結(jié)物, 被赤褐鐵礦浸染, 結(jié)構(gòu)不清; 發(fā)育細(xì)晶方解石交代現(xiàn)象; 巖石基本無粒間孔和粒間溶孔, 粒緣縫和微裂縫縫寬0.01～0.03 mm。

X 衍射實(shí)驗分析了樣品的全巖礦物成分和主要黏土礦物含量組成(表1)。 結(jié)果表明, 瑪湖凹陷二疊系烏爾河組典型致密礫巖儲層的主要礦物成分為黏土礦物、 石英、 鉀長石和斜長石。 其中石英含量20%～62%不等; 鉀長石含量一般低于10%; 斜長石含量主要在15%～30%; 最突出的特點(diǎn)是黏土礦物含量較高, 一般＞20%, 最高可達(dá)66%, 同時其中的伊/蒙間層相對含量較高, 大多在50%以上。 較高含量的黏土礦物以及其中高占比的伊/蒙間層, 為研究區(qū)典型致密礫巖儲層在壓裂液作用下發(fā)生強(qiáng)水敏效應(yīng)埋下了伏筆。

表1 實(shí)驗巖樣X 衍射全巖和主要黏土礦物分析表Table 1 X-ray diffraction analysis table of whole rock and main clay minerals of the experimental rock sample

續(xù)表1

2.2 水敏特征分析

鉆切好的柱塞巖樣, 按上述既定方案開展儲層巖石水敏特征定量評價實(shí)驗后, 巖心的基礎(chǔ)孔滲(相當(dāng)于絕對孔滲) 和液體飽和孔滲 (相當(dāng)于有效孔滲) 都出現(xiàn)了不同程度的下降(表2)。 其中基礎(chǔ)孔隙度下降0.17%～2.84%, 基礎(chǔ)滲透率下降0.004 9～4.161 4 mD, 液體飽和孔隙度下降0.000 28% ～4.53%, 液體飽和滲透率下降0.55 ～2.81 mD。 單純從下降的數(shù)據(jù)來看, 水敏傷害似乎并不明顯, 但實(shí)驗樣品本身就是致密巖, 其原始孔滲數(shù)值本身就普遍偏低。

表2 水敏特征定量評價實(shí)驗前后巖心狀態(tài)參數(shù)對比Table 2 Comparison of core state parameters before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

通過計算獲取的下降數(shù)值與傷害前數(shù)據(jù)的百分比, 基礎(chǔ)孔隙度下降幅度2.95%～28.85%, 基礎(chǔ)滲透率下降幅度0.48%～75.84%, 液體飽和孔隙度下降幅度24.74%～99.66%, 液體飽和滲透率下降幅度10.25%～32.34%, 尤其是液體飽和孔隙度下降幅度最高達(dá)99.66%, 由此可見, 水敏傷害造成的孔滲變化是異常驚人。 實(shí)驗前后的氣測回歸克氏滲透率情況對比圖(圖4), 也同樣呈現(xiàn)出非常明顯的下降特點(diǎn)。

圖4 水敏特征定量評價實(shí)驗前后巖心基礎(chǔ)滲透率對比圖Fig.4 Comparison of core basic permeability before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

實(shí)驗前后的核磁信號分布情況對比(圖5) 同樣呈現(xiàn)了明顯的損傷現(xiàn)象。 由圖可知, 巖心003-1 整體呈現(xiàn)核磁T2 信號分布往左壓縮移動(圖5a), 根據(jù)核磁T2 對應(yīng)孔徑的特性, 以上變化趨勢反映巖心中的大孔隙在變少, 而小孔隙則在變多, 因此呈現(xiàn)出整體分布往左移動同時信號幅度上升的情況; 巖心020則呈現(xiàn)核磁T2 信號分布整體下降的特點(diǎn)(圖5b),這說明巖心所有的大小孔隙都在變少, 屬于整體下降的類型。

圖5 水敏特征定量評價實(shí)驗前后巖心核磁T2 對比Fig.5 Comparison of core NMR T2 before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

3 討論

根據(jù)水敏傷害產(chǎn)生的機(jī)理, 通過分析樣品巖心在開展水敏特征定量評價實(shí)驗前后相關(guān)狀態(tài)參數(shù)的變化, 重點(diǎn)考慮氦孔、 液體飽和孔隙度、 克氏滲透率和液體飽和液體滲透率等四項參數(shù)的下降率, 之后按照權(quán)重進(jìn)行加和來定義儲層巖石水敏綜合特征評價系數(shù), 計算公式如下:

表3 展示了每塊致密礫巖儲層巖心樣品的水敏系數(shù)。

表3 水敏特征定量評價實(shí)驗的巖心水敏系數(shù)表Table 3 Table of water sensitivity coefficients of cores for quantitative evaluation experiments of water sensitivity characteristics

黏土礦物是水敏傷害產(chǎn)生的關(guān)鍵因素, 據(jù)此進(jìn)一步分析水敏系數(shù)和儲層主體礦物之間的關(guān)系。 通過將巖心水敏系數(shù)和其對應(yīng)的礦物組成特點(diǎn)進(jìn)行大量比對發(fā)現(xiàn), 水敏系數(shù)與伊/蒙間層黏土的相對含量 (圖6a)、 黏土在黏土和石英中的占比(圖6b)、 伊/蒙間層黏土在黏土和石英中的占比(圖6c) 這3 個參數(shù)具有較好的相關(guān)性。

圖6 巖心水敏系數(shù)同礦物分布等參數(shù)的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of core water sensitivity coefficient with mineral distribution and other parameters

通過以上相關(guān)性的分析可知, 巖心的水敏特性即水敏系數(shù)的確和巖心的黏土礦物占比, 特別是伊/蒙間層黏土占比有很好的關(guān)系, 而伊/蒙間層黏土也的確是一種易引起水敏的黏土礦物, 從而佐證以上分析認(rèn)識的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1) 針對瑪湖凹陷瑪湖1 井區(qū)和瑪東2 井區(qū)二疊系烏爾河組致密礫巖的特點(diǎn), 論文設(shè)計的基于核磁的儲層巖石水敏特征定量評價實(shí)驗方法, 能夠明確水敏傷害前后儲層物性的變化規(guī)律。

(2) 根據(jù)樣品水敏特征評價實(shí)驗前后狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn), 定義了新的水敏系數(shù), 該系數(shù)充分考慮了氦

孔、 液體飽和孔隙度、 克氏滲透率和液體飽和液體滲透率等多項參數(shù)的下降率, 系數(shù)越大, 儲層巖石水敏對物性影響越大。

(3) 結(jié)合巖心的水敏系數(shù)和X 衍射分析的礦物