顺北油气田非均质碳酸盐岩储层矿化度敏感规律

潘丽娟，杜春朝，龙武，魏攀峰，黄知娟，张旺

（1.中石化西北油田分公司石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，乌鲁木齐 830011.3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

0 引言

顺北油气田受断裂多期活动产生大量裂缝储集体，具有缝洞型碳酸盐岩特征[1]，主力气藏包括中下奥陶统一间房组、鹰山组2 套碳酸盐岩储层[2]，平均井深超过7500 m，储层埋深大。其中，一间房组厚度约为120 m，鹰山组目前仅1 口井钻穿，钻至地层深度约8400 m，揭示地层厚度较大[3]。顺北油气田的开发不仅拓展了塔里木盆地的资源潜力，对推动我国特深领域油气勘探意义重大[4]。

以渗透率诊断和评价开采难度较大的油气储层伤害程度适用性较差[5]，郑力会等建议使用流量代替渗透率评价[6]。对于上产阶段的顺北油气田，储层伤害控制更加迫切。现有碳酸盐岩储层敏感性研究内容主要包括应力敏感、矿化度敏感、酸碱性敏感等3 大类。其中，现场碳酸盐岩储层酸化[7]、转向酸化[8]增产成功，削弱酸碱性敏感研究的必要性。同时，作为孔洞、裂缝发育地层常见应力敏感[9]，研究成果较多[10]，但改造形成新的裂缝通道弱化了其伤害程度。相比之下，水敏、盐敏等矿化度敏感受储层黏土矿物总含量普遍较低，常被忽略[11]。但近年来随着研究深入，逐渐意识到矿化度敏感也是碳酸盐岩储层敏感性重要内容之一，现场钻井液、完井液等流体矿化度控制不当[12]，引发储层伤害，将直接降低后续改造增产效果[13]。

早在1996 年，陕甘宁中部奥陶系碳酸盐岩储层就发现盐敏程度较强[14]。同期，川东石炭系碳酸盐岩储层也被发现强水敏特征[15]。与此同时，顺北地区一间房组碳酸盐岩储层近期实验评价同样存在较强盐敏[16]。不同学者从孔隙矿物脱落[17]、弱胶结黏土颗粒运移[18]、矿物水化分散[19]等黏土矿物因素入手，未解决储层黏土矿物整体含量较低与矿化度敏感较强之间的矛盾。为此，以顺北地区一间房组、鹰山组2 套储层为目标，从储层矿物组分、矿物分布、孔渗参数、裂缝数量及状态等因素入手，研究碳酸盐岩储层矿化度敏感特征，揭示其储层矿化度敏感机理，为现场工作流体矿化度优化提供科学依据，提高碳酸盐岩储层增产稳产效果。

1 储层非均质性评价实验

采取SB1-X 井、SB5-Y 井一间房组、鹰山组储层天然岩心，利用X 衍射矿物分析[20]、扫描电镜[21]、薄片分析[22]、氦气法孔隙度测定[23]、氮气法渗透率测定[24]及水敏、盐敏流动评价实验[25]等手段，评价顺北地区2 套碳酸盐岩储层整体矿物组分、孔渗参数、基质与裂缝充填矿物、裂缝分布及矿化度敏感参数等特征，揭示碳酸盐岩储层矿物、储渗等因素影响矿化度敏感规律。

1.1 整体矿物组分非均质性评价

SB1-X 井一间房组7352.61～7356.85 m 层段间隔取5 个样品，SB5-Y 井鹰山组7837.02～7838.79 m 层段间隔取11 个样品，测试表征效果见表1。

表1 一间房组、鹰山组储层垂直方向矿物含量及组分分布

1.2 孔隙度、渗透率非均质性

面对碳酸盐岩储层孔洞、裂缝发育及矿物组分非均质性，可预见储层孔隙度、渗透率分布同样具有较强非均质。利用氦气孔隙度仪和储层敏感性评价系统。测定了SB1-X 井垂直间距20.21 m 内一间房组地层孔隙度为0.42%～2.40%，氮气渗透率为0.03～7.62 mD，SB5-Y 井垂直间距1.54 m 内鹰山组地层孔隙度为0.55%～1.38%，氮气渗透率为0.47～6.82 mD，见表2。2 套储层孔隙度较低，且垂直方向孔隙度与渗透率波动明显。

表2 一间房组、鹰山组储层孔隙度与渗透率分布

1.3 基质与裂缝黏土充填非均质性

利用扫描电镜、薄片分析等方法观察SB1-X井一间房组、SB5-Y 井鹰山组储层孔洞连通性较差（图1a、图1b），裂缝连通性较好（图1c、图1d），是地层主要渗流通道，也是矿化度敏感关键区域。

图1 一间房组、鹰山组储层孔洞、裂缝连通性观察图

利用X 射线衍射测定裂缝充填、半充填泥晶方解石、沥青、黄铁矿、硅质、黑色有机质、黏土矿物等矿物成分（见表3）。对比基质充填泥晶方解石内未发现黏土矿物（图2（a）、图2（c）），裂缝内普遍混合片状伊蒙混层（图2（b）、图2（d））。

表3 一间房组、鹰山组储层孔洞、裂缝充填状态分布表

图2 一间房组、鹰山组储层基质、裂缝矿物电镜扫描图

1.4 裂缝数量及形态非均质性评价

对于以裂缝为主要渗流通道的碳酸盐岩储层，地层中裂缝数量与形态分布影响外来流体侵入体积与深度。观察顺北地区一间房组、鹰山组储层现场取心岩样，裂缝普遍发育，但不同位置发育数量随机，且水平缝、立缝、斜缝等多种角度裂缝共存，裂缝分布随机性较强。

1.5 流体矿化度敏感非均质性测定

从SB1-X 井一间房组、SB5-Y 井鹰山组储层钻取直径为25 mm、长为50～55 mm 岩心柱塞共12 枚，参考标准SY/T 5358—2010 开展水敏和盐敏评价实验各6 套（见表4）。根据2 套储层地层水矿化度为92 000 mg/L、105 000 mg/L，设定中间流体矿化度46 000 mg/L，52 500 mg/L，测定一间房组储层水敏渗透率损害率为29.47%～52.00%，水敏程度介于中等偏弱至中等偏强。测定鹰山组储层渗透率损害率为66.06%～74.80%，水敏程度均为中等偏强。测定一间房组储层临界矿化度52 500～92 000 mg/L，盐敏渗透率损害率为30.44%～82.93%，盐敏程度中等偏弱至强，但不同取心位置评价结果差异较大。测定鹰山组储层临界矿化度稳定于92 000 mg/L，盐敏渗透率损害率为78.10%～79.91%，盐敏程度均为强。

表4 储层矿化度敏感性评价实验结果

1.6 流体污染前后渗透率伤害评价

从一间房组、鹰山组储层8 个取心位置钻取直径为25 mm、长为50～55 mm 岩心柱塞各4 枚，室内配制矿化度为52 500、53 800 mg/L 的KCl 溶液，以稳定驱压为0.5 MPa 注入柱塞至出口流速稳定后静置污染2 h，对比污染前后柱塞气测渗透率大小（见表5）。

表5 氯化钾溶液污染前后岩心柱塞气测渗透率变化

实验测定氯化钾溶液矿化度为52 500 mg/L 时，一间房组柱塞渗透率降幅为33.39%～42.94%；鹰山组柱塞渗透率降幅为37.91%～80.76%。KCl 溶液矿化度为35 000 mg/L 时，一间房组柱塞渗透率降幅为34.06%～82.43%；鹰山组柱塞渗透率降幅为22.58%～27.55%。表明同一套地层不同位置取样测定矿化度敏感差异较大，无法有效表征储层整体矿化度敏感程度。

2 分析与讨论

分析顺北油田一间房组、鹰山组碳酸盐岩储层黏土矿物含量、天然裂缝分布、地层水矿化度等因素影响储层矿化度敏感规律，建立非均质碳酸盐岩矿化度敏感评价方法，揭示储层矿化度敏感规律。

2.1 碳酸盐岩储层矿化度敏感非均质突出

顺北地区一间房组、鹰山组2 套碳酸盐岩储层水敏、盐敏渗透率损失率及临界矿化度分布见图3。

图3 2 套储层水敏、盐敏渗透率损害率及临界矿化度分布

由图3 可知，一间房组储层测试水敏、盐敏渗透率损害率浮动22.53%、52.49%，鹰山组储层水敏、盐敏渗透率损害率浮动8.74%、1.81%，储层矿化度敏感程度非均质性较强。

盐敏评价实验中，参考标准SY/T 5358—2010，顺北地区鹰山组、一间房组2 套碳酸盐岩储层开展矿化度降低实验，计算得到储层临界矿化度介于盐敏临界矿化度与地层水矿化度之间。为此，定义地层水矿化度与盐敏临界矿化度的差值为无敏感矿化度窗口宽度S0，计算方法如公式（1）。

式中：S1为地层水矿化度，mg/L；S2为盐敏临界矿化度，mg/L；S0为无敏感矿化度窗口宽度，mg/L。

计算一间房组储层S0为0～39 500 mg/L，波动明显，鹰山组S0为8750 mg/L，较稳定。对比一间房组取样垂深间距3.11 m，远大于鹰山组的0.03 m，表明顺北地区同一套碳酸盐岩储层邻近区域临界矿化度大小接近，但距离较远区域差异明显，不同取心位置室内测试矿化度敏感临界值不同，非均质性较强。参考标准SY/T 5358—2010 对比了一间房组、鹰山组储层矿化度敏感程度与黏土矿物总含量比关系，结果见图6。

表6 水敏、盐敏程度与黏土矿物总含量关系

可知，黏土矿物总含量比从0.82%升至1.85%，水敏程度在中等偏弱至中等偏强间波动。黏土矿物总含量比从0.80%升至1.79%，盐敏程度在中等偏弱至强之间波动。实验表明，仅仅从黏土矿物总含量评价碳酸盐岩储层矿化度敏感是不合适的，需考虑矿物分布空间因素。

分析了裂缝结构分布特征对储层矿化度敏感影响。考虑目前裂缝结构分布直接评价参数缺乏，以孔隙度、渗透率间接评价裂缝数量、连通性等分布特征，对比一间房组、鹰山组储层垂直方向孔隙度、渗透率分布，如图4 所示。由图4 可知，垂直方向，2 套碳酸盐岩储层孔隙度0.42%～1.38%，整体较低，渗透率0.03～7.62 mD，波动较大，高、低渗区域交互共存。同时，2 套储层孔隙度、渗透率变化趋势接近，据此选择室内评价岩心柱塞初始渗透率，对比实验测定2 套储层水敏、盐敏渗透率损失率随初始渗透率变化规律，如表7 所示。

图4 一间房组、鹰山组储层垂直方向孔隙度与渗透率分布

表7 水敏、盐敏渗透率损害率随初始渗透率变化

可知，初始渗透率逐渐升高，水敏渗透率损失率从29.47%升至74.80%，盐敏渗透率损失率从30.44%升至82.93%。表明天然裂缝发育程度越高的区域，孔隙度、渗透率越高，对应矿化度敏感性也越强。顺北地区一间房组、鹰山组碳酸盐岩储层，天然裂缝非均质性也是矿化度敏感重要影响因素。

引入数学方法，利用室内实验数据，建立顺北地区碳酸盐岩储层水敏渗透率损害率、盐敏渗透率损害率等矿化度敏感参数与黏土矿物总含量比、孔隙度、渗透率等因素间数学关系，形成储层矿化度敏感程度定量评价新方法。拟合储层水敏渗透率损害率与不同因素间定量数学关系，见公式（2）：

式中：Dw为水敏渗透率损失率；N为黏土矿物总含量比；K为岩心柱塞初始渗透率，mD；P为岩心柱塞孔隙度。

盐敏评价实验测试介质矿化度从地层水矿化度逐渐降低，引入地层水矿化度因素，建立盐敏渗透率损害率与不同因素间定量数学关系，见公式（3）。

式中：Ds：盐敏渗透率损失率。

公式（2）与公式（3）拟合相关性系数R2 大于0.80，表明拟合结果表征黏土矿物总含量比、孔隙度、渗透率、地层水矿化度等因素影响矿化度敏感程度可靠。

2.2 非均质碳酸盐岩储层矿化度敏感临界值评价方法

以无敏感矿化度窗口宽度表征不同工作流体矿化度可控范围，拟合窗口宽度与黏土矿物总含量比、孔隙度、初始渗透率、地层水矿化度等参数间定量关系，见公式（4）。

公式（4）中，拟合系数R2均大于0.80，表明黏土矿物总含量比、初始渗透率、孔隙度、地层水矿化度等因素对储层临界矿化度影响较为显著。分析可见，同一套储层，区域内黏土矿物总含量比越高，初始渗透率、孔隙度以及地层水矿化度越大，计算无敏感矿化度窗口宽度越小，对应临界矿化度越接近地层水矿化度，矿化度敏感控制要求更苛刻，符合实验测试规律。

以一间房组储层为例，拟合已有数据，计算储层无敏感矿化度窗口宽度极小值约53 800 mg/L，较标准SY/T 5358—2010 指导下测试岩心柱塞临界矿化度值52 500 mg/L 高1300 mg/L。对比实验对比2 种矿化度氯化钾溶液污染前后岩心柱塞渗透率降幅均值分布可知，氯化钾溶液矿化度升高1300 mg/L 后，渗透率降幅均值下降28.85%，矿化度敏感伤害控制效果提升超过50%。研究表明，利用地层黏土矿物、孔隙度、渗透率、地层水矿化度等参数计算临界矿化度分布范围，指导现场工作流体矿化度优化，有利于提高储层矿化度敏感控制准确度，降低矿化度敏感伤害程度。同时，方法中碳酸盐岩储层不同区域黏土矿物含量比、孔隙度、渗透率、地层水矿化度等参数现场可快速且广泛测试，避免大规模取心评价实验对岩心数量、实验工作量的苛刻要求，实现储层不同位置临界矿化度快速计算，提高临界矿化度优选准确性，改善现场钻井液、完井液等工作流体矿化度优化后伤害控制效果。

2.3 非均质碳酸盐岩储层矿化度敏感性分析

实验研究表明，顺北地区一间房组、鹰山组等两套碳酸盐岩储层黏土矿物以伊蒙混层为主，集中充填天然裂缝中，导致局部含量较高。但由于裂缝体积相对储层整体体积比例较低，导致储层黏土矿物总含量较低。储层中天然裂缝发育程度较高的区域，外来流体矿化度较低时，易引发裂缝内黏土矿物水化膨胀、分散，运移后堵塞裂缝通道，引发矿化度敏感性伤害。但由于碳酸盐岩储层中天然裂缝分布随机，不同区域外来流体接触黏土矿物程度不同，矿化度敏感性程度存在显著差异，导致储层矿化度敏感性表现出较强非均质性。

数学方法建立顺北地区碳酸盐岩储层矿化度敏感性参数与黏土矿物含量比、孔隙度、渗透率以及地层水渗透率间定量关系，分析表明，非均质性碳酸盐岩储层矿化度敏感程度影响因素主要包括黏土矿物含量、天然裂缝分布、地层水矿化度等因素。同一套储层不同区域内，天然裂缝发育程度越高，黏土矿物总含量、地层水矿化度越高，矿化度敏感性越强，临界矿化度值也越接近地层水矿化度，现场钻井液、完井液等工作流体矿化度控制要求更高。

从矿化度敏感评价实验方法来看，顺北地区碳酸盐岩储层矿化度非均质性特征导致传统方法测试矿化度敏感参数随取样位置变化而剧烈波动，大量取心开展实验虽然可以在一定程度上提高测试结果稳定性和覆盖区域，但工作量过大，且储层裂缝发育程度较高区域往往取样困难。此时，通过少量岩心柱塞评价实验数据，建立黏土矿物总含量比、孔隙度、渗透率等基础参数与矿化度敏感参数间定量关系，再利用现场测井、测试得到储层中黏土矿物含量、孔隙度、渗透率、地层水等广泛分布数据，快速计算地层矿化度敏感分布范围。与此同时，以矿化度敏感程度分布区间代替常规单实验测试单个值，可有效提高顺北地区碳酸盐岩储层矿化度敏感评价的广泛性和可信度，改善现场工作流体矿化度控制水平。

3 结论

1.顺北地区碳酸盐岩储层矿物组分、天然裂缝分布非均质性突出。其中，黏土矿物以伊蒙混层为主，集中充填天然裂缝中，遇低矿化度外来流体易水化、膨胀，堵塞裂缝通道，导致局部敏感程度较强。由于天然裂缝体积占储层总体积比例较小，常规方法测定黏土矿物总含量比较低，此时，仅仅以黏土矿物总含量评价储层矿化度敏感是不合适的。

2.顺北地区碳酸盐岩储层矿化度敏感主要影响因素包括敏感性矿物、裂缝分布以及地层水矿化度，不同区域敏感性矿物、天然裂缝分布随机性较强，储层矿化度敏感非均质性突出。现有实验评价方法受样品取样位置、取样数量影响，准确描述储层整体矿化度敏感参数困难。

3.引入数学方法，利用少量实验数据，建立顺北地区碳酸盐岩储层矿化度敏感程度参数与黏土矿物总含量比、孔隙度、渗透率、地层水矿化度等参数间定量关系，实现矿化度敏感程度、无伤害矿化度区间定量计算，提高矿化度敏感评价全面性和快捷性，利于优化现场工作流体矿化度伤害控制效果。

4.顺北地区非均质碳酸盐岩储层矿化度敏感规律的揭示，为应力、酸碱性等其他敏感性评价方法研究提供了方向指导，有利于加快以碳酸盐岩储层为代表的破碎型储层敏感性特征的深入研究。