盐间页岩盐离子扩散对自发渗吸驱油的影响<br/>——以潜江凹陷潜江组页岩为例

盐间页岩盐离子扩散对自发渗吸驱油的影响
——以潜江凹陷潜江组页岩为例

2020-04-10曹金栋赵逸清鲁晓兵

科学技术与工程 2020年4期

杨柳，曹金栋，赵逸清，鲁晓兵，周彤

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，力学与建筑工程学院，北京 100083； 2.新疆油田公司勘探开发研究院开发所，克拉玛依 834000； 3.中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190； 4.中国石油大学(北京)非常规气体研究所, 北京 102249)

页岩油是指以游离、吸附及溶解态等多种方式赋存于富有机质泥页岩地层中的液态烃类，属于典型的自生自储型原地聚集的油气类型[1]。页岩油的资源分布广泛，是重要的非常规能源，对缓解国家能源战略供需矛盾具有重要的意义。然而，页岩油储层低孔、低渗透，毛细管力大，油在孔隙中难以被动用。高毛细管力诱发的自发渗吸作用下，水可以将油自发置换出来，是页岩油开采的一个重要机理。

潜江凹陷位于江汉盆地中部，面积2 530 km2，潜江组纵向上共发育193个含盐韵律[20-21]。盐度含量高、蒸发强度大、湿润与干旱天气长期交替作用形成了十分厚的潜江组盐系地层[22]。潜江凹陷发育了两种类型页岩油藏: 一是油浸泥岩夹白云岩的页岩油藏，黏土含量达到30%～40%，大部分区段烃指数S1/TOC>100；二是盐间油浸泥质白云岩的页岩油藏，脆性矿物含量达到40%～60%，S1/TOC平均为570，两种类型都具有较好的烃源条件和含油性[23]。潜江凹陷潜江组页岩矿物组成与北美Woodford页岩、北美Barmett页岩、皖南荷塘组、川南地区龙马溪组、川南地区筇竹寺组和龙马溪组页岩分别在石英含量、碳酸盐矿物含量、黏土矿物含量、脆性矿物含量进行对比，具有“低黏土矿物、低石英、高碳酸盐、高脆性矿物”的特征，具有较好的脆性，烃源岩条件好，展现出良好的页岩油勘探开发前景[24-26]。

页岩油储层压裂后闷井一段时间，有利于促进毛细管力渗吸驱油作用，提高页岩油的产出。与常规页岩油储层不同，潜江凹陷盐间页岩油储层富含石盐矿物。压裂液渗吸进入孔隙后会引起石盐矿物溶解、扩散，改变了原有的孔隙结构，从而对油的迁移产生影响。目前，针对潜江凹陷盐间页岩油渗吸特征的研究较少，盐离子溶解、扩散对孔隙结构和渗吸驱油的影响尚不清楚。本文以潜江凹陷盐间页岩储层为研究对象，开展渗吸核磁共振实验，研究了盐离子扩散对孔隙结构、渗吸驱油和渗吸采收率的影响。

1 实验装置及方法

1.1 实验样品

盐间页岩油地层主要发育白云质页岩、钙芒硝页岩和泥页岩，分别取三种储层岩性进行对比实验。白云质页岩为灰白色，气测孔隙度为4.4%，渗透率为0.006 2 mD；钙芒硝页岩充填大量的白色块状或条带状盐晶体，非均质性较强，孔隙度为1.7%，渗透率0.15 mD；泥页岩为黑色或灰黑色，发育层理裂缝，裂缝中间充填白色盐晶体颗粒，孔隙度为9.2%，渗透率约为0.014 mD。三种盐间页岩地层孔隙度和渗透率差别较大，说明盐间页岩非均质强，储层特征差异较大。高渗透率的样品主要与发育微裂缝有关。此外，饱和油测试的孔隙度普遍低于氦气测试的孔隙度。

图1介绍了渗透率和孔隙率的分布特征。白云岩页岩、钙芒硝页岩和泥质页岩的孔隙度分别为4%～8%、2%～8%和2%～12%。白云岩页岩、钙芒硝页岩和泥质页岩的渗透率分别为0.02～0.6 mD、0.006～2.5 mD和0.0005～0.85 mD。页岩储层的渗透率分布范围很广，可以用微裂缝的发育程度来解释。微裂缝埋藏的样品具有较高的渗透率，孔隙度与渗透率正相关。没有微裂缝的样品对应于低孔隙度-渗透率区域(Ⅰ)和涉及微裂缝的样品对应于高孔隙度-渗透率区域(Ⅲ)。分别选取三个盐间页岩样品进行实验，物理性质如表1所示，有助于分析孔隙度和渗透率对油迁移的影响。

图1 渗透率和孔隙度Fig.1 Permeability and porosity

表1 页岩样品的物理性质Table 1 Physical properties of shale samples

注：D代表白云岩页岩，G代表钙芒硝页岩，A代表泥质页岩。

矿物组成的XRD分析结果如表2所示。与海相页岩气储层相比，盐间页岩储层具有低石英含量(质量分数17.6%～21.3%)和低黏土矿物含量(质量分数15.3%～21.3%)的特点。此外，石盐矿物(质量分数3.4%～7.4%)的存在使盐间页岩与海相页岩更加不同。海相页岩气储层的盐主要赋存于孔隙内壁和黏土矿物层间，而盐间页岩的盐以石盐矿物的形式存在，是骨架结构的一部分。此外，三种盐间页岩样品的矿物组成存在较大不同。白云岩页岩由高含量白云石矿物(质量分数29.8%)组成，钙芒硝页岩含有大量钙芒硝矿物(质量分数23.3%)，泥质页岩含有高浓度的黏土矿物(质量分数21.3%)。

表2 页岩样品的矿物学成分Table 2 Mineralogical composition of shale samples

采用MnCl2溶液作为渗吸流体开展研究，高浓度(>20%)的MnCl2溶液能够很好地屏蔽水中的氢信号，抑制水中的核磁共振信号。由于水中加入了MnCl2屏蔽了水的核磁信号，因此测量的T2谱动态曲线，就很好地反映出渗吸作用下岩石孔隙中的含油量。

1.2 实验装置及方法

图2 致密油渗吸排油实验装置 Fig.2 Tight oil seepage and drainage test device

实验装置为精度为0.000 1 g梅特勒分析天平(型号ME204E)，如图2(a)所示。通过测量样品质量的变化，根据油和水的密度差，来推测吸入水和排出油的体积。核磁共振仪由苏州纽迈分析仪器股份有限公司提供，型号为MiniMR-VTP，磁场强度0.5 T，如图2(b)所示。测试温度为25 ℃，湿度为40%，压力为大气压力。核磁共振是一种无损测试方法，通过测量岩石内氢元素含量来分析岩石的物性特征。核磁共振T2谱可以很好地反映孔隙结构和流体分布特征。T2值越高，说明赋存流体的孔径越大；某一孔径的岩石中流体越多，则T2谱幅度越大。通过测量渗吸过程中致密储层样品的T2谱，可以很好地获得毛细管力渗吸引起的孔隙流体饱和度分布特征。

实验步骤如下。

(1)将样品烘干，测试质量、尺寸，抽真空加压饱和煤油，测试质量。

(2)将饱和油的样品放置于MnCl2溶液中，室温条件下密封。

(3)每隔一段时间测试质量，并采用高分辨率相机对样品表面进行拍照。

(4)将样品表面擦拭赶紧，置于核磁共振仪内，测试T2谱(图3)。

(5)重复(3)、(4)直到质量与T2谱变化不大，绘制质量与T2随着时间的变化。

2 实验结果分析

2.1 盐离子扩散对孔隙结构的影响

图4为盐间页岩储层样品渗吸实验过程中的外观变化。综合来看，三种页岩油样品在渗吸实验过程中，盐晶体随着浸泡时间的延长逐渐溶解，使得样品表面形态变化极大。白云质页岩中原有的晶体聚集体溶解，形成了较大的溶孔，直径1～5 mm之间，说明晶体聚集体可以在水中全部溶解。钙芒硝页岩表面的层理微裂缝或弱面逐渐扩展，形成了大量的平行于层理的微裂缝。原有的层理弱面处于开启状态，渗透性较好，水渗吸进入弱面中溶解充填的盐晶体，形成大量的层理裂缝。泥页岩在渗吸初期(约2 h)出现了层状崩落现象，随着渗吸时间的延长，样品表面的出现越来越多的小凹坑。

渗吸实验过程中，盐间页岩的孔隙结构变化是由于盐晶体的溶解引起的，因此表面的凹坑、裂缝、溶孔也反映了盐晶体的分布特征。结合实验前的肉眼观察和显微镜观测可知，盐间页岩储层中盐晶体主要有三种分布模式：晶体聚集型、充填弱面型和密集分布型。分布模式不同，水岩相互作用对孔隙结构的影响也不同。

渗吸实验后，将样品在75 ℃下烘干，测量孔隙度，表3 为实验前后孔隙度对比，可知自发渗吸实验后，孔隙度有了大幅度提升。白云质页岩孔隙度由4.4%提升到15.2%，钙芒硝页岩孔隙度由1.7%提升到8.8%，而泥页岩孔隙度由9.9%提升到20.5%。闷井期间，水自发渗吸进入盐间页岩储层后，盐晶体的溶解一定程度上可以改善储层的物性特征参数。

2.2 盐离子扩散对渗吸驱油的影响

水在毛细管力作用下自发渗吸进入页岩油储层，将基质孔隙中的原油驱替出来，油滴附着于样品表面(图5)。页岩油储层A析出的油滴体积较大，储层D和C表面油滴体积较小。幅度-T2曲线变化能够很好地反映出不同孔隙中的原油动态变化。如图5所示，储层D、C和A样品的谱面积随着渗吸时间逐渐降低，说明孔隙中的油滴逐渐被水驱替出来。从渗吸实验开始到t=439 h时，储层D、C和A样品谱面积分别降低了约1 723、300和2 732。相比而言，储层A具有更高的原油排出速率，这与A析出的油滴体积较大现象一致。这与储层A具有较高的孔隙度和渗透率有关。

描述了盐间页岩油层盐离子扩散在自发渗吸驱油的不同时刻T2谱曲线变化，反映孔隙中原油排出动态，如图6所示。从T2谱中可以明显地观察到出现两个峰(左峰和右峰)，右峰的振幅大且弛豫区域大，说明油主要存在于这个区域中。右峰的振幅小，有少量的油存在其中。随着自发渗吸驱油时间的加长，T2谱曲线的左峰值出现明显的降低，右峰值逐渐增加。白云质页岩、钙芒硝页岩的峰值趋势线向下，泥质页岩峰值的趋势线向右侧转移，说明泥质页岩在自发渗吸的过程中，油从小孔往大孔运移。蓝框标记的区域，随着驱油时间，由原来的无振幅到有振幅变化，说明产生了新的孔隙或裂缝，并且油滴逐渐运移进入了新生的孔隙或裂缝中。可见，新生的孔隙或裂缝可作为原油运移的通道。红框标记的区域(即右峰)，随着驱油时间，峰面积的增加，结合左峰的降低，可以推测油先从小孔运移到大孔或者新生裂隙中，然后经微裂缝运移出去。

图3 自发渗吸核磁监测实验示意图Fig.3 Schematic diagram of spontaneous infiltration nuclear magnetic monitoring experiment

图4 不同浸泡时期样品的外观变化 Fig.4 Appearance changes of samples during different soaking periods

表3 实验前后物性参数对比Table 3 Comparison of physical parameters before and after the experiment

图5 水驱出的油滴Fig.5 Oil droplets driven by water

图6 岩样的幅度 Fig.6 Magnitude of the rock sample

2.3 盐离子扩散对渗吸采收率的影响

渗吸采收率是通过谱面积的变化与原始谱面积的比值来计算得到的。渗吸采收率与储层特征参数、流体性质、边界条件等因素有关，这些结论已经众多学者进行了深入研究，这里不再进行分析。为了分析盐晶体含量对渗吸采收率的影响，有必要采用无量纲渗吸时间进行分析。无量纲渗吸时间是根据式(1)计算得到：

(1)

式(1)中：t为渗吸时间，d；k为渗吸率，%；φ为孔隙率，%；σ为表面张力，mN/m；μw为水黏度，Pa·s；μo为油的黏度，Pa·s；LS为特征长度，m。

图7 油渗吸采收率回收率与无量纲时间tD和tD1/2Fig.7 Recovery rate of oil absorption recovery and dimensionless time tD and tD1/2

图8 无量纲渗吸速率随着石盐矿物含量的变化Fig.8 The dimensionless infiltration rate varies with the mineral content of rock salt

煤油与水接触时的界面张力可取45 mN/m，考虑到三个样品都是采用水和煤油进行实验，因此界面张力的取值并不影响分析结果。然而，无量纲渗吸时间tD难以反映渗吸速率的大小，可绘制渗吸采收率与无量纲时间的平方根曲线，通过对比曲线斜率来定量分析渗吸速率(图7)。可知，页岩油储层D、C和A的无量纲渗吸速率分别为0.28、0.11和0.72。

根据文献[27]，取3个盐间页岩样品粉碎成100目的颗粒，分别取3 g颗粒样品置于1 000 mL的蒸馏水中，搅拌均匀后测得初始电导率G0，即为表面离子密度。图8 为无量纲渗吸速率随着初始电导率G0的变化，先增加在减少。页岩储层内含盐量越高，无量纲渗吸速率反而越低。跟预期并不一致，盐晶体溶解会生成量的大孔隙和微裂缝，表面上看提高了储层的孔隙度和渗透率。然而由于盐晶体的溶解，崩落的晶体颗粒或骨架颗粒松动，开始堵塞基质孔隙，使得基质孔隙中的原油难以运移出来，只有少部分可以进入新生的大孔隙和微裂缝中。因此，大量盐晶体的溶解，反而不利于原油的产出。

3 讨论

煤油的质量与谱面积成良好的线性关系，可通过谱面积的变化计算排出煤油的体积，结合水与煤油的密度差，则可以计算得到样品质量随着时间的变化(不考虑盐晶体溶解)。理论上，计算得到的质量变化没有考虑盐晶体的溶解，因此样品质量要高于实际样品的质量变化，如图9(a)、图9(b)所示。但是，储层样品A的实际样品质量要高于理论样品质量[图9(c)]。这与新生的孔隙或微裂缝有关。当盐晶体溶解后，产生了新的孔隙或微裂缝，此时新生的孔隙或微裂缝被水(MnCl2溶解)占据，之后煤油逐渐运移进入这些新生的孔隙或微裂缝，被核磁共振仪监测到，但是油并不能完全充满这些孔隙，可见幅度差(D-value)的正值区域显示的并不是新生的孔隙或微裂缝的体积，只是其中油的体积。因此，样品的实际质量变化，会超过理论计算结果。

图9 样品质量和谱面积随着时间的变化 Fig.9 Sample mass and spectral area as a function of time

可见，盐间页岩储层渗吸规律极其复杂，涉及了多个物理过程。水自发渗吸进入储层内，盐晶体接触到水会溶解，盐离子开始在浓度差作用下发生扩散作用。同时，盐晶体的溶解也会改变孔隙结构影响到原油的运移。这样复杂的物理现象，仅仅采用核磁共振、天平作为测量手段是不够的，有必要引入电导率仪，同步分析溶液中电离出的离子含量。