葉義平, 肖易航, 寇 根

(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.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059;3.中國石油新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測研究院 礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000)

當(dāng)儲(chǔ)層遇到低礦化度流體時(shí)，會(huì)造成一定程度的黏土礦物膨脹與顆粒運(yùn)移，從而使得儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性發(fā)生變化，即儲(chǔ)層的水敏效應(yīng)[1-2]。隨著化石能源的勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向低滲、致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)層敏感性的研究也得到了更多的關(guān)注。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水敏效應(yīng)的特征、精確分析其主控因素，對(duì)于儲(chǔ)層保護(hù)及提高采收率具有重大意義[3-4]。

“地層傷害”概念被提出的60余年以來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。然而，國內(nèi)研究起步較晚，且低滲、致密儲(chǔ)層較多，為儲(chǔ)層敏感效應(yīng)的研究帶來了困難。王寶玲等[5]首先對(duì)儲(chǔ)層水敏效應(yīng)的影響因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明膨脹型黏土礦物與滲透率為水敏效應(yīng)的主要影響因素；王欣等[6]通過聚類分析法對(duì)儲(chǔ)層敏感性的主控因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明影響水敏性的主要因素有蒙脫石含量、伊蒙混層含量、石英含量、膠結(jié)物含量、膠結(jié)類型、主要孔喉半徑、孔隙度、氣測滲透率；并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)不同滲透率范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同的水敏指數(shù)，且對(duì)其原因進(jìn)行分析[7]。以上3項(xiàng)為國內(nèi)早期且較為詳細(xì)的研究。諸多學(xué)者也通過多種研究手段，針對(duì)砂巖、致密砂巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)層展開詳細(xì)的水敏評(píng)價(jià)研究，并提出相應(yīng)的開發(fā)對(duì)策[8-18]。

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷是目前世界上最大的砂礫巖油藏，通過近年的不斷突破，展現(xiàn)了良好的開發(fā)前景。但是，砂礫巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，基礎(chǔ)物性差，水敏效應(yīng)嚴(yán)重，極大地限制了采收率的提高[19]。對(duì)瑪湖斜坡水敏評(píng)價(jià)的研究較少，且研究結(jié)論均為水敏指數(shù)的定性評(píng)價(jià)，以及籠統(tǒng)地認(rèn)為黏土礦物含量、類型及孔隙結(jié)構(gòu)是瑪湖斜坡水敏效應(yīng)的主控因素，對(duì)其具體關(guān)系均未明確指出[20-25]。因此，有必要對(duì)瑪湖斜坡水敏效應(yīng)進(jìn)行更為細(xì)致的研究，以得出水敏效應(yīng)與主控因素之間的關(guān)系。

基于上述問題，本文針對(duì)瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組(T1b)兩種不同巖性的樣品進(jìn)行水敏效應(yīng)研究。首先，對(duì)不同巖性樣品的基礎(chǔ)物性、黏土礦物特征以及孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；然后，結(jié)合以上分析內(nèi)容，對(duì)水敏效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得出研究區(qū)水敏效應(yīng)的主控因素；最后，利用填砂模型進(jìn)行單一因素研究，以驗(yàn)證主控因素分析的正確性。

1 巖心基本特征

1.1 基礎(chǔ)物性及礦物特征

A井與B井均位于瑪湖斜坡，實(shí)驗(yàn)樣品為百口泉組巖心各6塊。基礎(chǔ)物性與黏土礦物特征如表1所示。A井巖心均為細(xì)/小礫巖，而B井的巖心均為含礫粗砂巖；A井樣品的平均孔隙度率大于B井，但是A井樣品的克氏滲透率與液測滲透率均遠(yuǎn)小于B井，且液測滲透率較克氏滲透率小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是低滲儲(chǔ)層的明顯特征。由于液測滲透率可能會(huì)導(dǎo)致微粒運(yùn)移、巖-水反應(yīng)等諸多不確定因素，因此，后續(xù)研究采用克氏滲透率對(duì)水敏結(jié)果進(jìn)行分析。A井樣品中黏土礦物含量略高于B井。根據(jù)黏土礦物相對(duì)含量可以看出，A井與B井均以伊-蒙混層為主，其次是伊利石、高嶺石與綠泥石。

表1 樣品基礎(chǔ)物性與黏土礦物特征Table 1 Base physical properties and clay mineral characteristics of rock samples

引發(fā)水敏效應(yīng)的根源為不配伍流體導(dǎo)致黏土礦物發(fā)生膨脹與運(yùn)移，進(jìn)而造成滲透率下降，而黏土礦物的產(chǎn)狀對(duì)其有重要影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察可以看出，伊-蒙混層多為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此礦物在16 h內(nèi)的膨脹率達(dá)23%～25%[21]，是引發(fā)水敏的主要因素；伊利石具有一定的膨脹性，明顯的層間結(jié)構(gòu)(網(wǎng)狀、蜂窩狀結(jié)構(gòu))使其具有極大的比表面與表面能，因此，結(jié)構(gòu)易被破壞，從而堵塞喉道；綠泥石多為針葉狀與絨球狀，在水-巖反應(yīng)后易分散，從而堵塞喉道；高嶺石以蠕蟲狀為主，其極小的比表面不會(huì)產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，且在臨界流速內(nèi)不會(huì)發(fā)生顆粒運(yùn)移(圖1)。

圖1 黏土礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of clay mineralsA井黏土礦物特征：(A1)粒間孔充填網(wǎng)狀伊-蒙混層; (A2)粒間孔充填蜂窩狀伊利石; (A3)粒間孔充填針葉狀綠泥石; (A4)粒間孔充填蠕蟲狀高嶺石。 B井黏土礦物特征： (B1) 粒內(nèi)溶孔充填伊-蒙混層; (B2)粒間孔充填網(wǎng)狀伊利石; (B3)粒間孔充填絨球狀綠泥石; (B4)粒間孔充填蠕蟲狀高嶺石

因此，可以將黏土礦物分為膨脹型[伊-蒙混層(I/S)]與顆粒運(yùn)移型[伊利石(I)與綠泥石(C)]。圖2為兩種黏土礦物類型的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)對(duì)比，可以看出，A井膨脹型礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.37%，顆粒運(yùn)移型礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.57%；B井膨脹型礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.62%，顆粒運(yùn)移型礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21%。兩口井的膨脹型礦物含量均高于顆粒運(yùn)移型礦物，說明礦物水化膨脹是引起水敏損害的主要因素，而顆粒運(yùn)移則是次要因素。

圖2 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the mass fraction of clay minerals

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)可以得出樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征。圖3為實(shí)驗(yàn)樣品的高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果(為了清晰對(duì)比進(jìn)汞曲線的規(guī)律，省略退汞曲線)?？梢钥闯觯谕伙柡投认?，A井(1號(hào)～6號(hào)樣品)較B井(7號(hào)～12號(hào)樣品)具有更高的毛細(xì)管壓力；A井的孔喉分布范圍要小于B井，且A井樣品的大孔隙極少。進(jìn)一步地，A井的平均排驅(qū)壓力明顯高于B井，而退汞效率、平均喉道半徑及喉道分選系數(shù)明顯小于B井。這一現(xiàn)象說明，A井的孔隙結(jié)構(gòu)明顯差于B井，且與基礎(chǔ)物性表現(xiàn)出相同的差異性；但是B井的喉道分選性差于A井。將孔喉半徑≤0.1 μm的孔隙定義為小孔，孔喉半徑>0.1 μm的孔隙定義為大孔，從圖3-B可以看出，A井大孔隙占比極少(平均為13.84%)，而B井大孔隙平均占38.08%。

圖3 高壓壓汞曲線及特征Fig.3 High-pressure mercury pressure curves and characteristic values

2 水敏性評(píng)價(jià)與主控因素分析

2.1 水敏性評(píng)價(jià)

當(dāng)水敏性黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1%～4%時(shí)就有可能造成滲透率下降[26]。水敏實(shí)驗(yàn)的流體為地層水、1/2礦化度地層水以及蒸餾水，依次注入樣品進(jìn)行滲透率測試，本次實(shí)驗(yàn)步驟以及參數(shù)評(píng)價(jià)根據(jù)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358-2010》[27]進(jìn)行。A井區(qū)地層水為CaCl2型，礦化度為9 845.38 mg/L；B井區(qū)地層水同樣為CaCl2型，礦化度為20 512.59 mg/L。為了防止在水敏實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生速敏現(xiàn)象，因此，注入速度均在臨界流速以下，通過前期實(shí)驗(yàn)得出A井與B井的臨界流速均為0.25 mL/min，因此，實(shí)驗(yàn)注入速度設(shè)定為0.2 mL/min。

圖4為A井、B井的水敏曲線圖,可以看出A井的滲透率下降趨勢(shì)接近于線性變化，且下降幅度較?。籅井的實(shí)驗(yàn)樣品在1/2地層水處產(chǎn)生了明顯的滲透率下降，而蒸餾水對(duì)滲透率的傷害值減小。從圖5可以看出，A井的平均水敏指數(shù)(33.55%，中等偏弱水敏)遠(yuǎn)低于B井的平均水敏指數(shù)(79.38%，強(qiáng)水敏)。

圖4 水敏曲線圖Fig.4 Water sensitivity curves

圖5 水敏指數(shù)對(duì)比圖Fig.5 Correlation of water sensitivity index

2.2 主控因素分析

通常認(rèn)為水敏礦物的絕對(duì)含量與水敏指數(shù)存在明顯的正相關(guān)性[5, 21]。但是我們可以從表1以及圖6可知，A井樣品的黏土礦物含量雖然略高于B井，但是B井樣品的水敏指數(shù)遠(yuǎn)大于A井。因此，水敏礦物的含量并不是造成兩井水敏差異的主要因素，并且通過圖6可以看出，對(duì)于同一井的樣品而言，黏土礦物含量與水敏指數(shù)也并未存在明顯關(guān)系。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有以下3種：

圖6 黏土礦物含量與水敏指數(shù)關(guān)系圖 Fig.6 Relationship between clay mineral content and water sensitivity index

①B井樣品的平均喉道半徑與大孔隙占比較大，極大增加了黏土與流體發(fā)生接觸的概率；②通過圖3可知，B井樣品的喉道分選系數(shù)較大，即分選性較差，易造成喉道封堵；③通過調(diào)研相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，A井樣品的膠結(jié)類型普遍為壓嵌-孔隙式，而B井樣品的膠結(jié)類型普遍為壓嵌式，因此，B井樣品的膠結(jié)程度較差，易產(chǎn)生顆粒運(yùn)移。

圖7為克氏滲透率與水敏指數(shù)關(guān)系圖，為了凸顯其規(guī)律性，將克氏滲透率調(diào)整為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。可以看出，兩口井的水敏指數(shù)均與克氏滲透率呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，但是體現(xiàn)出截然不同的規(guī)律。對(duì)于A井而言，水敏指數(shù)隨著克氏滲透率的增加而急劇增加；而B井的水敏指數(shù)隨著克氏滲透率的增加而緩慢減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，對(duì)于A井樣品而言，首先，滲透率的增加使得水相更易進(jìn)入孔隙，進(jìn)而增加了水敏損害程度；其次，根據(jù)封堵理論，當(dāng)顆粒直徑與喉道直徑之比為1/3～1/10時(shí)易發(fā)生多顆粒橋堵[8]，因此，滲透率的增加也提高了橋堵效應(yīng)的概率；最后，由于喉道半徑小，水敏傷害對(duì)滲透率的變化極為敏感。對(duì)于B井樣品而言，其平均孔喉半徑較A井大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且大孔隙占比較高，因此，在礦物膨脹倍數(shù)相同的情況下，隨著滲透率的增加，礦物膨脹對(duì)喉道流動(dòng)能力的損害明顯減小，且不易發(fā)生橋堵效應(yīng)，顆粒甚至可能運(yùn)移出樣品端面。

圖7 克氏滲透率與水敏指數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between Klinkenberg permeability and water sensitivity index

為了進(jìn)一步研究水敏傷害機(jī)理，對(duì)第一次傷害(1/2礦化度地層水)與第二次傷害(蒸餾水)的差異(第一次傷害率減去第二次傷害率)進(jìn)行對(duì)比(圖8)。通過圖8可以看出，對(duì)于A井而言，除了5號(hào)和6號(hào)樣品，第二次傷害率均略大于第一次傷害率，且二者不存在明顯差異性；對(duì)于B井而言，除了11號(hào)和12號(hào)樣品，第一次傷害率明顯大于第二次傷害率。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因是滲透率與潤濕性協(xié)同作用。有研究表明，隨著注入水礦化度的降低，可增強(qiáng)孔隙表面的親水性[28-29]。對(duì)于A井樣品而言，由于喉道半徑極小，導(dǎo)致水相進(jìn)入喉道時(shí)的阻力較大，蒸餾水以更強(qiáng)的親水特征而進(jìn)入更多的孔隙，因此導(dǎo)致第二次傷害率略大于第一次傷害率；對(duì)于B井樣品而言，其喉道半徑明顯較大，因此1/2礦化度地層水即可進(jìn)入大部分孔隙，從而導(dǎo)致第一次傷害率明顯大于第二次傷害率。

圖8 第一次與第二次傷害率對(duì)比圖Fig.8 A comparison of the first and second water sensitive damage rates

3 水敏主控因素驗(yàn)證

在前面已對(duì)水敏傷害類型、水敏的主控因素進(jìn)行了分析，即水敏傷害以膨脹型為主，且滲透率是影響水敏指數(shù)的主要因素。然而，由于砂礫巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，諸多不確定因素均可影響其流動(dòng)能力，因此，利用填砂模型進(jìn)行單一影響因素研究，以驗(yàn)證主控因素分析的正確性。

3.1 填砂模型制作與物性測試

填砂模型的制作材料為100～200目及300～400目的石英砂與膨潤土(蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)>85%)，按照19∶1的比例進(jìn)行混合，且按照不同的壓力(10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa)壓制24 h后，進(jìn)行氣測滲透率實(shí)驗(yàn)，孔隙度實(shí)驗(yàn)采用飽和流體法。填砂模型的制作方法、儀器介紹以及飽和流程可參考肖易航等人相關(guān)研究[30-31]。表2為填砂模型的基礎(chǔ)物性，可以看出，隨著壓制壓力的增加，克氏滲透率與液測孔隙度均明顯減小，且目數(shù)越大，滲透率越小。

表2 填砂模型基礎(chǔ)物性Table 2 Base material properties of sand-packed models

3.2 填砂模型水敏實(shí)驗(yàn)

填砂模型水敏實(shí)驗(yàn)采用5 g/L的CaCl2溶液以及蒸餾水作為實(shí)驗(yàn)流體。首先，對(duì)填砂模型飽和CaCl2溶液(或蒸餾水)；飽和結(jié)束后，以0.1 mL/min的速率注入填砂模型，當(dāng)注入量達(dá)10倍孔隙體積后，關(guān)閉出入口閥門，使填砂模型與流體充分反應(yīng)2 h(膨潤土在2 h可膨脹14%[32])；最后，對(duì)滲透率進(jìn)行測定。圖9為填砂模型水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著氣測滲透率的增加，鹽水與蒸餾水滲透率均隨之增加；傷害率也出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，即當(dāng)克氏滲透率<12.37×10-3μm2時(shí)(5號(hào)～8號(hào)樣品)，水敏傷害率隨著克氏滲透率的增加而明顯增加，而當(dāng)克氏滲透率>25.36×10-3μm2時(shí)(1號(hào)～4號(hào)樣品)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)巖心呈現(xiàn)出的規(guī)律(圖7)相同，則前文對(duì)于滲透率與水敏指數(shù)關(guān)系的分析是正確的。

圖9 填砂模型水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of water sensitivity for sand-packed models

4 結(jié) 論

本文對(duì)瑪湖凹陷百口泉組細(xì)/小礫巖、含礫粗砂巖儲(chǔ)層的水敏效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合巖心基礎(chǔ)物性、礦物成分以及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水敏效應(yīng)的主控因素進(jìn)行分析，并利用填砂模型水敏實(shí)驗(yàn)對(duì)主控因素進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：

a.細(xì)/小礫巖具有更小的平均喉道半徑與大孔占比，使細(xì)/小礫巖滲透率明顯較小，且具有更高的排驅(qū)壓力，更低的退汞效率。但是，細(xì)/小礫巖的喉道分選性優(yōu)于含礫粗砂巖。

b.細(xì)/小礫巖的黏土礦物含量略多，兩種巖性的黏土均以伊-蒙混層為主，其次為伊利石、綠泥石、高嶺石。因此，研究區(qū)水敏損害的主要因素為礦物水化膨脹，次要因素為顆粒運(yùn)移。開發(fā)過程中不宜進(jìn)行低礦化度水驅(qū)，并可適當(dāng)使用防膨劑。

c.細(xì)/小礫巖的平均敏感性指數(shù)遠(yuǎn)低于含礫粗砂巖。其原因?yàn)椋汉[粗砂巖的平均喉道半徑與大孔隙占比較大，增加了黏土與流體接觸的概率；喉道分選性與膠結(jié)程度較差，易造成顆粒運(yùn)移與喉道封堵。因此，對(duì)于含礫粗砂巖儲(chǔ)層的開發(fā)，不宜高速開采，以防發(fā)生速敏傷害。

d.細(xì)/小礫巖的敏感性指數(shù)隨著克氏滲透率的增加而急劇增加；而含礫粗砂巖的敏感性指數(shù)隨著克氏滲透率的增加而緩慢減小。其主要原因?yàn)椋簩?duì)于細(xì)/小礫巖而言，滲透率的增加提高了水敏效應(yīng)與橋堵效應(yīng)發(fā)生的概率，但是由于喉道半徑小，水敏傷害對(duì)滲透率的變化極為敏感；對(duì)于含礫粗砂巖而言，平均孔喉半徑較細(xì)/小礫巖大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且存在大量的大孔隙，因此，隨著滲透率的增加，水敏對(duì)喉道流動(dòng)能力的損害減小。以上分析的合理性得到了填砂模型實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

e.對(duì)于細(xì)/小礫巖而言，第一次傷害率與第二次傷害率無明顯差異，但是含礫粗砂巖的第一次傷害率明顯大于第二次傷害率。其原因?yàn)椋簩?duì)于細(xì)/小礫巖而言，蒸餾水以更強(qiáng)的親水特征而進(jìn)入更多的孔隙，因此導(dǎo)致傷害率更大；對(duì)于含礫粗砂巖而言，其喉道半徑明顯較大，因此1/2礦化度地層水即可進(jìn)入大部分孔隙，從而導(dǎo)致其傷害更為明顯。這一現(xiàn)象進(jìn)一步證明，在開發(fā)過程中不宜注入低礦化度水，且注入水礦化度不低于地層水礦化度的一半。