致密储层水敏感性伤害垂向差异因素分析及保护措施优选

曹 杰，秦 红，欧阳传湘*，邱春霖，沈 畅

(1.长江大学石油工程学院，武汉 430100；2.中国石油塔里木油田勘探开发研究院，库尔勒 841000)

研究储层敏感性是探索油气勘探和开采的重要基础工作，其重要性主要体现在油气分布预测和开采保护措施等方面。中国塔里木油田油气储藏丰富，以吐格尔明段和迪北段为例，如何在地形复杂的地段勘探开采及采取有效的保护措施成为技术的难点之一[1-2]。王栋明[3]根据特低渗强水敏油藏具有物性差、倾角高等特点，利用数理统计方法对所选取的区块采用控制变量和分组类比的方式进行逐步的探索，可初步地实现提高低渗油藏的采收率和开发效益；徐加放等[4]对非常规油气储层敏感性的评价方法进行了进一步的探索，将回收率实验引进到储层敏感性评价，此方法更简单、方便，且拥有良好的重复性能；此外，在微观机理方面，李俊建等[5]利用QEMSCAN对矿物分布图进行对比分析和Micro-CT扫描岩心切片所得到的灰度图，成功建立CT扫描灰度值与不同矿物组分的对应关系，对砂砾岩的水敏损害原因进行了探索，得出喉道的损伤程度大于孔隙的损伤程度是导致渗透率下降的主要原因。

图1 库车北部构造位置图Fig.1 Kuqa northern structural location map

在前人的基础上，现以明南1井为例，针对储层油气开采过程中产生的水敏感性损害，引出本次探索的问题，主要有以下三点。

(1)库车北部多次的构造运动形成了明南1井处于复杂的地理环境，同时也造就了此井所处储层存在非均质性强的显著特点，造成明南1井储层水敏感性损害垂向差异。

(2)选取塔里木吐格尔明段明南1井各个小层的岩样为研究对象，对储层水敏感性垂向差异控制因素分析，从宏观角度和微观角度找出主控因素。

(3)在获得研究数据的基础上，添加不同种类的黏土稳定剂，进行不同浓度的损失率实验，探究水敏感性伤害保护措施优选的最佳方案。

1 研究区概况

如图1所示，库车拗陷的多次构造运动形成了以南北、东西分带的特征，以明南1井为例，其井位于库车北部构造带，北依南天山褶皱带，南临阳北构造带、阳霞构造区及秋里塔格冲断带，多样的地理环境导致储层情况复杂。

2 储层水敏感性特征

储层中含有大量的黏土矿物，易于外来流体发生水化作用，使储层内产生黏土膨胀、颗粒运移等减弱岩土体内聚力，致使储层岩石渗透率发生变化的现象。实验对明南1井进行水敏感性损害评价，针对不同层位的岩样，得出水敏感性实验曲线。在对不同岩样进行实验测得数据表明，明南1井的克孜勒努尔组、阳霞组和阿合组整体表现出中等偏强到强水敏感性趋势现象。

此外，如图2所示，在克孜勒努尔组(4 024～4 394 m)、阳霞组(4 437～4 774 m)、阿合组(4 828～5 071 m)中划分小层，可以观察到水敏感性损害率相对较高的主要分布在克孜勒努尔组(J1kz2)，在深层中阳霞组(J1y1和J1y3)未能表现出较高的水敏损害率，更深层储层阿合组(J1a)岩样水敏损害率相对较高，其中以阿合组(J1a2)小层水敏损害率最高。储层中垂直方向的各小层水敏损害率差异突出。

3 储层水敏感性垂向差异控制因素分析

3.1 骨架分析

如图3所示，本段储层以岩屑砂岩为主，包含一部分石英砂岩、长石岩屑；但岩屑成分多样，并且含有化学胶结物以硅质和碳酸盐质为主[6-8]，易发生化学反应；当储层内的盐浓度下降时，会造成储层内的矿物成分表面电势上升，受到的静电斥力大于范德华引力，颗粒间的化学平衡遭到破坏，导致矿物颗粒在储层内变动，虽不会大幅度改变储层骨架结构和骨架成分，但会影响储层内原生结构。此外，库车侏罗系层段储集空间形成原因复杂，也包含了原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔等易引发储层敏感性各种因素，溶孔可以提高储层的孔隙性，但也形成了颗粒间溶蚀颗粒，在外界流体的入侵中易引发较强的储层敏感性[9-11]。

图2 各层段水敏损害分布图Fig.2 Water sensitive damage distribution map of each layer

图3 各层段矿物成分三角图Fig.3 Trigonometry of mineral composition of each interval

3.2 黏土矿物

在探索储层水敏感性损害机理时，认为低矿化度的外来流体会在黏土矿物颗粒表面形成水化作用，颗粒间形成方向一致的水化膜，形成的斥力会使颗粒相互排斥，最终导致黏土矿物发生水化膨胀、游离运移等现象。在储层的克孜勒努尔组、阳霞组和阿合组的分层中，黏土矿物含量较高，存在起伏趋势，整体体积分数处于8.77%～17.52%。

对储层内黏土矿物存在的形式进行描述，如图4(a)所示，高岭石主要以书页状产出，且呈六边晶形；如图4(b)所示，伊利石和绿泥石主要以片状填充孔隙的形式产出，揭示杂基成因；伊蒙混层形态呈现不规则，相较于其他黏土成分存在较少。

图4 储层黏土矿物主要形态Fig.4 Main forms of clay minerals in reservoir

X衍射分析结果显示，储层中各种黏土矿物相对含量相差极大，是引发储层水敏感性效应垂向差异的主要因素之一。如图5所示，其中阳霞组和阿合组中伊蒙混层的相对含量分别是28%、33%，远高于克孜勒努尔组，少量的伊利石和高岭土矿物不会对砂层的渗透系数产生大的影响[12]，但是对于蒙脱石来说却不同，即使量很少，也会导致砂层渗透性产生很大变化，前已述及，明南1井的克孜勒努尔组(J1kz2)、阳霞组(J1y2)和阿合组(J1a2)小层整体表现中等偏强到强水敏趋势现象，且阿合组整体储层表现出较高的水敏感性损害。

3.3 物性因素

对明南1井各小储层岩样进行压汞实验，实验数据如表1所示。根据对测试结果的统计分析，其中以J1y2储层的中值压力最高，为14.41 MPa，其余依次是J1a1和J1kz2。整体来看明南1井的退汞效率随井的深度呈现出逐渐减小的趋势，其中J1kz1小层退汞效率最高，为53.7%，但在各小层中退汞效率仍呈现出小幅度的起伏趋势。明南1井储层的平均孔喉半径范围为0.08～1.95 μm，数据结果表明：明南1井孔喉连通性以克孜乐努尔组相对较好，阳霞组次之，阿合组最差。此外，研究区域中孔喉多为细孔喉且连通性较差，当储层中发生颗粒运移和黏土膨胀时，极易引起孔喉堵塞，渗透率降低。因此，研究区域复杂的孔喉特征是敏感性的重要因素之一[13-15]。

表1 明南1#各层段孔喉表征参数Table 1 Pore throat characterization parameters of each layer in well Mingnan 1

图5 各层段黏土矿物X衍射图Fig.5 X-ray diffraction pattern of clay minerals in each interval

4 水敏感性伤害保护措施优选

在黏土矿物含量较高的储层水敏感性实验中[1]，添加适量的黏土稳定剂，有利于防止水敏性矿物水化膨胀及分散运移，是降低储层水敏感性损害的有效手段[16-19]。对分别含有CMG-A、HES、YLN-07的三种黏土稳定剂进行不同浓度的损失率实验，损失率测定实验方法:首先将来自克孜勒努尔组、阳霞组、阿合组不同小储层的8块同质量岩心进行粉碎，分别置于干燥皿中储存，用标准目数筛进行筛选的岩心粉颗粒，经过干燥、冷却、称量、均匀混合后加入一定浓度的黏土稳定剂溶液静置 24 h，干燥、筛选、称量、计算。损失率计算公式为

(1)

式(1)中：K为岩屑损失率，%；W1为实验前岩屑质量，g；W2为实验后岩屑质量，g。

由表2分析可知，3%的YLN-07黏土稳定剂是最有效防止黏土损失的稳定剂；若从损失率和经济效益等方面综合考虑，0.5%的HES黏土稳定剂是最为理想的选择。

表2 黏土稳定剂损失率实验结果Table 2 Experimental results of clay stabilizer loss rate

5 结论

(1)研究结果显示，明南1井整体黏土含量较高，溶孔间含有大量溶蚀颗粒，产生水化膨胀、游离运移等现象是造成水敏感性损害的主要原因；在矿物成分三角图中可观察出，岩屑砂岩是克孜勒努尔组、阳霞组和阿合组的主要组成部分，其成分复杂多样，并且含有化学胶结物，易发生化学反应，是产生溶间颗粒的主要原因。

(2)明南1井以克孜勒努尔组(J1kz2)、阳霞组(J1y2)和阿合组(J1a1、J1a2)小层段为主表现出较高的感性损害。从黏土矿物X衍射图可看出，储层中黏土矿物含量非均质性情况严重，阳霞组和阿合组中伊蒙混层含量相对富集，其他黏土矿物相对含量也存在较大差异；从物性因素分析，明南1井的退汞效率及孔喉半径随井深呈现下降趋势，小层段物性差异明显，体现出部分小层段孔喉连通性较差。故此上述原因均是造成明南1井小层段存在水敏感性损害差异的主要原因。

(3)针对明南1井存在水敏感性垂向差异，储层黏土矿物非均质性及小层位物性差异等问题，改进黏土稳定剂损失率实验，优选出两种选择方式：若从最大程度减缓黏土损失方面考虑，3%的YLN-07黏土稳定剂可最有效防止黏土损失；若从损经济效益等方面综合考虑，0.5%的HES黏土稳定剂是最为理想的选择。