吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层孔隙结构及敏感性

2021-10-30李晶晶孙国翔刘琦刘淼

新疆石油地质 2021年5期

李晶晶，孙国翔，刘琦，刘淼

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；2.中国石油吉林油田分公司勘探开发研究院，吉林松原 138000；3.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；4.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

准噶尔盆地东部隆起吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组页岩油藏是中国首个大规模开发的陆相页岩油藏[1]。勘探成果表明，其储量达到12×108t，开采潜力巨大，但储集层埋藏深度大、物性差、非均质性强、原油黏度大等限制其经济开发[2-4]。

前人对研究区内芦草沟组的岩石学特征[5]、烃源岩地球化学特征[6-7]、储集层物性特征[8]、含油性特征[9-10]、甜点区预测[11]、采油工程技术[12]等展开过研究，但针对页岩油藏开采地质条件的研究很少。储集层敏感性关乎页岩油藏的可改造性，敏感性评价是页岩油藏有效开发的基础[13]。

本文以吉木萨尔凹陷芦草沟组一段页岩储集层为研究对象，在明确矿物组成与孔隙结构特征基础上，开展储集层敏感性实验，探究页岩储集层敏感性伤害机理，寻求研究区页岩储集层保护措施，为研究区页岩油藏勘探开发提供依据。

1 地质背景与实验样品

1.1 地质背景

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起西南部，南邻阜康断裂带，西为北三台凸起，北接沙奇凸起，东连古西凸起，面积约1 278 km2[14]（图1）。

图1 吉木萨尔凹陷构造位置Fig.1.Structural location of Jimsar sag

吉木萨尔凹陷自下而上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系，二叠系自下而上划分为井井子沟组、芦草沟组和梧桐沟组，其中，芦草沟组是页岩油勘探开发的主要层系。芦草沟组分为芦一段和芦二段，每段又可细分为2 个亚段。结合常规测井和核磁测井资料，能够识别出2 个页岩油甜点段，分别位于芦一段上亚段和芦二段上亚段[15]。甜点段内与储集层互层的富有机质泥岩为主要烃源岩，成熟度位于生油窗内，处于大量生油阶段，形成了源储共生和近源成藏的成藏模式，且储集层埋藏深度适中，为勘探开发和近期建产的目标区。

1.2 实验样品

前人关于吉木萨尔凹陷芦草沟组的相关研究，主要集中在东部斜坡区[5-6，9]，对西部凹陷区的研究较少，不利于扩大吉木萨尔凹陷陆相页岩油勘探开发范围。基于此，本文对西部凹陷区内取心井吉36-X 井芦草沟组以2 m 间隔进行取样，在芦二段取样31 块，芦一段取样44 块。实验包括全岩及黏土矿物X 射线衍射实验（75 块样品）、压汞实验（11 块样品）、应力敏感实验（4 块样品）、水敏实验（5 块样品）、酸敏实验（3 块样品）和碱敏实验（4 块样品）。通过测试得到所有样品的全岩及黏土矿物X 射线衍射数据，将更易发生储集层敏感性伤害的芦一段作为主要研究对象。通过等间距选样与矿物组成分析，选取其中11 块样品进行压汞实验。由于储集层敏感性实验需要直径为2.5 cm、长度为5.0 cm 的圆柱形样品，受岩心规格限制，每块样品不可能满足全部敏感性实验，故基于全岩及黏土矿物X 射线衍射实验结果，选择代表性样品进行相应的敏感性实验，如水敏效应与膨胀性黏土矿物有关，根据前期实验结果，选择不同膨胀性黏土矿物含量的样品进行实验。

2 岩石学和矿物学特征

通过全岩及黏土矿物X 射线衍射测试，研究区芦二段矿物以石英为主（平均38.39%），其次为黏土矿物（平均19.94%）、斜长石（平均15.75%）、方解石（平均13.50%）和（铁）白云石（平均9.88%），含有少量钾长石（平均1.28%）和黄铁矿（平均1.14%）。芦一段矿物组成与芦二段矿物组成总体相似，仅黏土矿物含量相对较低（平均8.37%）。从黏土矿物组成而言，芦二段黏土矿物以伊利石为主（平均41.63%），其次为伊蒙混层（平均18.89%）；芦一段黏土矿物以蒙皂石为主（平均34.33%），其次为伊利石（平均23.27%）。芦一段膨胀性黏土矿物含量高，具有极强的储集层敏感性。基于此，本文重点针对芦一段开展孔隙特征及储集层敏感性分析研究。

3 孔隙特征

采用高压压汞法分析吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层孔隙结构。仪器为AutoPoreⅣ9510 型全自动压汞仪，汞与岩石表面接触角为140°，汞表面张力为480×10-3N/m，测量的孔隙直径大于3.0 nm。

3.1 孔隙分布特征

此次研究孔隙分类采用霍多特十进制孔径结构分类方案，即大孔（＞1 000 nm）、中孔（100～1 000 nm）、过渡孔（10～100 nm）和微孔（<10 nm）。测试结果表明，吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层中，过渡孔占比较大，平均为65.45%；其次为中孔和微孔，平均分别为20.17%和9.13%）；大孔占比较低，平均为5.25%（表1）。

表1 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层孔隙分布特征Table 1.Pore distribution characteristics of Lu 1 member shale reservoir in Jimsar sag

3.2 储集层高压压汞特征

根据高压压汞实验结果，研究区芦一段页岩储集层孔隙可分为2类。

（1）Ⅰ类孔隙结构在大孔阶段进汞量增加速度较慢；在中孔阶段进汞量增加速度迅速上升；在过渡孔和微孔阶段进汞量增加速度变慢；说明储集层中中孔含量较大，过渡孔次之。样品整体退汞效率较高，孔隙连通性较好，开放性孔隙占比相对较大（图2a）。

图2 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层不同孔隙类型样品进退汞曲线Fig.2.Mercury advance and withdrawal curves of Lu 1 member shale reservoir samples with different pore types in Jimsar sag

（2）Ⅱ类孔隙结构在大孔和中孔阶段进汞量增加速度较慢；在过渡孔阶段进汞量的增加速度迅速上升；微孔阶段进汞量增加速度变慢；说明储集层中过渡孔占比较大。相比Ⅰ类孔隙，总进汞量较低，开放性孔隙占比较低（图2b）。

为了定量表征不同孔隙结构的复杂程度，借助Wash Burn 方程，构建了进汞体积与进汞压力之间的双对数方程，计算分形维数[16-17]。计算结果表明，芦一段孔隙分形维数为2.41～2.99，平均为2.71，其中Ⅰ类孔隙分形维数（平均2.59）小于Ⅱ类孔隙分形维数（平均2.73），表明Ⅰ类孔隙结构较为简单。

4 敏感性特征及其机理

对研究区芦一段样品进行储集层敏感性评价实验（包括应力敏感性、水敏性、酸敏性、碱敏性），样品为顺层理方向钻取的圆柱，其直径为2.5 cm，长度为5.0 cm，实验按照中国石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》进行，所用驱替流体为模拟地层水。

4.1 应力敏感性

应力敏感性实验中，保持岩心入口压力（孔隙压力）和轴向应力（水平应力）不变，静围压从10 MPa 增加至24 MPa，增压间隔为3 MPa。测定不同静围压下渗透率，评价渗透率由于有效应力改变产生的损伤程度。

结果表明，无因次渗透率与围压呈负指数关系[18]：

式中A——回归系数；

K0——第一个应力点下的渗透率，mD；

Ki——给定应力下的渗透率，mD；

pe——从初始到某一有效应力状态下有效应力的变化值，MPa；

α——渗透率模量，MPa-1。

这符合岩石渗透性的应力敏感性规律（图3）。回归系数为2.00～3.16，平均为2.48；渗透率模量为0.06～0.11 MPa-1，平均为0.08 MPa-1。当围压增大至24 MPa 时，无因次渗透率为0.24～0.39，平均为0.28；渗透率损害率为60.89%～85.18%，平均为71.69%，属于中等—强应力敏感伤害。

图3 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层无因次渗透率与围压关系Fig.3.Relationships between dimensionless permeability and confining pressure of Lu 1 member shale reservoir in Jimsar sag

研究区芦一段页岩储集层中脆性矿物主要有石英、长石、碳酸盐矿物等。实验结果表明，页岩储集层中脆性矿物含量越高，其应力敏感性越强，储集层渗透率损害率越高（图4a）。说明在有效应力作用下，储集层岩石脆性越强，越容易发生破裂，产生细小颗粒，这些颗粒运移造成储集层应力敏感性增强[19]。随着样品孔隙分形维数增大，储集层渗透率损害率也相应增大（图4b）。说明在有效应力作用下，储集层非均质性越强，应力敏感性也越强，这与前人对低渗透储集层应力敏感性的认识一致[20]。

图4 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层渗透率损害率与脆性矿物含量（a）和分形维数（b）关系Fig.4.Relationships between permeability damage rate and(a)brittle mineral content and(b)fractal dimension of Lu 1 member shale reservoir in Jimsar sag

4.2 水敏性

储集层水敏效应指的是膨胀性黏土矿物与外来流体接触膨胀，导致储集层渗透率降低的现象。本文水敏性实验采用矿化度为30 000 mg/L 的标准盐水作为初始测试流体，设置驱替压力为4 MPa，围压为6 MPa，测试储集层渗透率的变化特征。驱替10～15 PV后，停止驱替，保持围压不变12 h以上，使测试流体与岩石矿物充分反应；将驱替泵调至初始流速，测试流体驱替时样品的渗透率；采取同样的方法，分别进行矿化度为20 000 mg/L、10 000 mg/L、5 000 mg/L 模拟地层水和蒸馏水的驱替实验，测定相应矿化度下样品的渗透率。

随矿化度降低，样品渗透率呈递减趋势（图5a），渗透率损害率为12.84%～83.76%，平均为43.45%，呈中等—强水敏伤害。鉴于样品在水敏作用下渗透率损害率与膨胀性黏土矿物含量（蒙皂石、无序伊蒙混层）呈正相关（图5b），建议在压裂液中添加稳定剂以防止黏土矿物水化膨胀。W34 样品与W37 样品的膨胀性黏土矿物含量差别不大，但渗透率损害率却相差30.00%，主要与储集层孔隙连通性有关，W34 样品孔隙分形维数高于W37样品（表1），表明W34样品孔隙连通性较差，在外来流体注入下更易发生储集层伤害。

图5 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层无因次渗透率与矿化度关系（a）和水敏作用下渗透率损害率与膨胀性黏土矿物含量关系（b）Fig.5.Relationships(a)between dimensionless permeability and salinity and relationship(b)between permeability damage rate and the content of swellable clay mineral under the influence of water sensitivity of Lu 1 member shale reservoir in Jimsar sag

4.3 酸敏性

酸敏性是指由于酸敏性矿物与酸液发生反应，导致储集层渗透率降低的现象。为了探究研究区样品酸敏效应导致的储集层渗透率伤害程度，依次注入pH 值为7、5、4、3 和2 的模拟地层水，模拟地层水由标准盐水和盐酸配制而成，其矿化度与研究区的地层水相同。

结果表明，随pH 值降低，样品渗透率总体呈递减趋势（图6）。渗透率损害率为9.40%～75.73%，平均为41.59%，具弱—强酸敏特征。研究区芦一段页岩储集层渗透率损害率与方解石含量呈负相关，大部分方解石被盐酸溶解，孔隙空间增加明显，储集层物性得到改善，酸敏性表现为改善型（图7a）；而样品中绿泥石含量越高，酸敏效应越强，其主要原因为绿泥石与盐酸反应的活性较强，产生的沉淀物会造成储集层伤害增强（图7b）；样品中（铁）白云石同样对盐酸较为敏感，随着H+被消耗，容易形成氢氧化铁沉淀，进而导致（铁）白云石含量高的储集层渗透率明显降低（图7b）。

图6 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层无因次渗透率与pH值关系（酸敏性）Fig.6.Relationships between permeability damage rate and pH(acid sensitivity)of Lu 1 member shale reservoir in Jimsar sag

图7 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层样品渗透率损害率与方解石（a）、（铁）白云石及绿泥石（b）含量关系Fig.7.Relationships between permeability damage rate and(a)calcite content,(b)(iron)dolomite and chlorite contents of shale reservoir samples from Lu 1 member in Jimsar sag

4.4 碱敏性

在页岩油藏开发过程中，外来碱性流体进入储集层后，与储集层发生反应，导致渗透率降低，此即碱敏效应。为确定研究区样品碱敏效应对渗透率损伤程度，注入pH 值为8、9、10、11和12模拟地层水，模拟地层水由标准盐水配成，矿化度与研究区地层水相同。

结果表明，伴随注入液pH 值增大，样品渗透率总体呈递减趋势（图8a）。渗透率损害率为5.50%～31.50%，平均为16.97%，储集层具弱—中等偏弱碱敏特征。储集层碱敏主要与样品中黏土矿物和（铁）白云石有关，在碱性介质中，黏土矿物片端面断口带负电，与相邻黏土矿物片基面为相同电性，使黏土矿物晶片相互排斥而分散[21]。在流体的作用下易产生运移，堵塞喉道，降低储集层的渗透率。（铁）白云石与碱性介质能够发生反应，产生新的沉淀物，导致储集层渗透率降低（图8b）。

图8 吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层无因次渗透率与pH值（a）和渗透率损害率与矿物含量（b）关系Fig.8.Relationships(a)between dimensionless permeability and pH and(b)between permeability damage rate and clay mineral content of shale reservoir of Lu 1 member in Jimsar sag

综上所述，吉木萨尔凹陷芦一段页岩储集层具有中等—强应力敏感性，建议在页岩油开采过程中，放缓排采速率，防止有效应力过大，压裂裂缝过早闭合，压力难以传导，产能急剧下降。针对其具有中等—强的水敏伤害特征，建议在压裂液中添加黏土稳定剂以防止黏土矿物水化膨胀。基于酸敏的实验结果表明，对于方解石含量高的储集层，可采用酸化增渗方法，而在（铁）白云石、绿泥石含量高的储集层应避免使用酸性压裂液。虽然芦一段页岩储集层具有弱—中等偏弱的碱敏特征，但对于（铁）白云石和黏土矿物含量高的地层应避免使用碱性压裂液。