松辽盆地古龙页岩油储层孔隙结构对外来流体的敏感性

魏建光 付兰清 赵国忠 李斌会 赵小青 王安伦

（1.陆相页岩油气成藏及高效开发教育部重点实验室（东北石油大学），黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；3.黑龙江省油层物理与渗流力学重点实验室，黑龙江 大庆 163712）

0 引 言

中国页岩油资源量丰富，技术可采储量约为55×108t，松辽盆地古龙页岩油勘探已经取得了重大突破［1-5］，预测石油地质储量约12×108t，是大庆油田重要的接替资源，加快页岩油勘探开发是保障石油战略安全的现实途径。在古龙页岩储集空间特征、页岩油开发规律、动态模拟、效益评价研究上已取得一些探索成果［6-9］，但对于古龙页岩油输运机理和受外来流体影响机制的基础理论研究起步较晚，需要继续深入研究。目前页岩油储层主要采用长水平井结合大规模多级压裂技术进行开发，在压裂过程中向储层中注入大规模外来流体，外来流体对储层孔隙结构的改变将直接影响开发效果，因此，需要针对不同类型外来流体对页岩储层孔隙造成的伤害或改善进行定量评价。目前，储层敏感性评价研究多以常规砂岩储层为研究对象［10-15］，针对页岩储层的敏感性研究较少，且多集中于海相页岩气储层［16］。与常规砂岩储层不同，古龙页岩油储层富含微—纳米孔隙和有机质，且黏土矿物含量高。同时，古龙页岩储层在有机质含量及石英、长石、碳酸盐岩等矿物含量方面与海相页岩储层也有较大差异［17-20］。此外，已有的页岩储层敏感性评价多以岩心渗透率改变值为评价指标，而古龙页岩油储层同时富含微—纳米级孔隙及微米级天然裂缝，具有多尺度孔隙结构，流体在微—纳米级孔隙中发生渗吸，在裂缝中发生渗流，以岩心渗透率改变值为评价指标仅能反映流体对裂缝空间的改变，但研究表明，流体在微—纳米级孔隙中的渗吸作用也会显著影响开发效果。针对古龙页岩油储层有必要开展不同尺寸孔隙空间对外来流体敏感性的研究。

1 实验介绍

1.1 实验目的

本文旨在利用核磁共振测试技术开展古龙页岩岩心浸泡外来流体前后孔隙结构变化的定量表征，基于孔隙结构变化定量表征结果评价古龙页岩岩心不同尺寸孔隙对外来流体的敏感性。

1.2 实验方案

本研究选取了3 块古龙页岩岩心，分别浸泡不同酸液、碱液以及中性滑溜水中。其中，酸液依次为w（HF） =3% 溶 液（S1）、w（HF） =3%+w（HCl） =12% 溶 液（S2）、w（HF） =5%+w（HCl）=12%溶液（S3）；碱液依次为矿化度与地层水相同的pH=9 的NaOH+KCl 溶液（S4）、pH=11 的NaOH+KCl 溶液（S5）、pH=13 的NaOH+KCl溶液（S6）；中性滑溜水依次为体积分数为2.5 L/m3的EM30+溶液（S7）、体积分数为3.0 L/m3的EM30+溶液（S8）。岩心基础参数及实验流体详见表1。

表1 岩心基础参数及实验流体Table 1 Core parameters and experiment fluids

1.3 实验方法

核磁共振测试是储层岩石孔隙结构定量表征的有效手段之一，相较于高压压汞、CT 扫描等其他储层岩石孔隙结构表征技术，其优点在于测试过程对岩石无破坏性且可测定的孔隙尺寸范围广，能够适应页岩油储层多尺度孔隙结构的特点，因此，本文采用核磁共振测试技术开展页岩油储层孔隙结构对外来流体敏感性研究。本文分别对饱和地层水岩心及饱和外来流体并浸泡后岩心开展二维核磁T1—T2谱测试，根据T1—T2谱划分出有机质、黏土结合水及岩心孔隙空间内流体信号分布，提取出岩心孔隙空间内流体信号T2谱，对于饱和流体的岩心，T2值与孔隙半径呈线性关系，基于岩心平行样的高压压汞测试结果可实现T2值与孔隙半径转换，进而可以根据岩心孔隙空间内流体信号T2谱确定岩心的孔隙结构，通过对不同状态下的孔隙结构进行对比分析，确定岩心孔隙结构对外来流体的敏感性。由于目前缺少针对页岩储层孔隙结构敏感性的国家或行业评价标准，本文以总孔隙度变化率、微孔孔隙度变化率、小孔孔隙度变化率、中孔孔隙度变化率及大孔孔隙度变化率为评价指标，其中，微孔孔隙半径r＜0.01 μm，小孔孔隙0.01 μm≤r＜0.1 μm，中孔孔隙0.1 μm≤r＜1.0 μm，大孔孔隙r≥1.0 μm，并参考行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》SYT5358—2010［21］确定外来流体对各项指标的影响程度。各孔隙的孔隙度变化率的计算公式为：

式中：I——总孔隙度变化率；Imic——微孔孔隙度变化率；Imc——小孔孔隙度变化率；Ime——中孔孔隙度变化率；Ima——大孔孔隙度变化率；φ——孔隙度；φmic——微孔孔隙度；φmc——小孔孔隙度；φme——中孔孔隙度；φma——大孔孔隙度；上角标b、a 表示浸泡之后、之前。

1.4 实验步骤

基于建立的页岩油储层孔隙结构对外来流体的敏感性评价方法并参考行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》SYT5358—2010［21］形成了页岩油储层孔隙结构敏感性评价实验步骤：（1）配置地层水和外来流体，准备实验；（2）烘干页岩岩心；（3）将岩心放入岩心夹持器中（围压2 MPa）抽真空48 h；（4）利用手摇泵饱和地层水至地层压力（围压随着增加相同幅度），并对岩心进行核磁测试；（5）再次烘干页岩岩心并将岩心放入岩心夹持器中（围压2 MPa）抽真空48 h；（6）利用手摇泵饱和外来流体至地层压力（围压增加相同幅度），设置恒温箱温度为地层温度，将岩心夹持器放置恒温箱48 h 后取出，并对岩心进行核磁测试；（7）对岩心平行样进行高压压汞测试，基于高压压汞测试结果及岩心饱和地层水的核磁测试结果完成核磁弛豫时间—孔隙尺寸转换，量化页岩岩心饱和地层水、饱和外来流体后不同尺寸孔隙的孔隙度，根据建立的评价指标，定量评价页岩孔隙结构对外来流体的敏感性。

1.5 实验条件

本文基于建立的页岩油储层孔隙结构对外来流体的敏感性评价方法及实验步骤对古龙页岩油储层岩心开展了敏感性评价实验。实验温度为110 ℃，实验压力为30 MPa，地层水矿化度为7 570 mg/L，采用美国MR Cores-XX 低场高频（23 MHz）核磁共振仪进行岩心核磁测试。

2 实验结果及分析

2.1 页岩孔隙结构对外来流体的敏感性评价

2.1.1 酸液

图1 为10#岩心饱和地层水及依次浸泡不同质量分数酸液（S1、S2、S3）状态下核磁共振测试得到的T1—T2二维谱，由图1 可以发现，随着酸质量分数的增加岩心内的微孔孔隙对应的信号量增大。图2 为基于实验数据处理得到的10#岩心在浸泡不同质量分数酸液后的孔隙分布对比结果。由图2 可知，古龙页岩总孔隙度随着外来流体酸性增强而增大，10#岩心饱和地层水情况总孔隙度为3.46%，饱和强酸（S3）情况总孔隙度为4.41%，总孔隙度增加值为0.95 百分点。表2 为10#岩心在浸泡不同质量分数酸液后的孔隙分布量化表征结果。从表2中可知，古龙页岩与外来酸性流体作用后导致微孔孔隙度增多，小孔略有减少。10#岩心饱和地层水微孔孔隙度为0.35%，饱和强酸（S3）微孔孔隙度为2.57%，微孔孔隙度增加值为2.22 百分点，小孔、中孔、大孔孔隙度变化值为-1.17 百分点、0.07 百分点、-0.16 百分点。表3 汇总了10#岩心的孔隙结构对不同强度酸液敏感性的评价结果。由表3 可知，酸液对总孔隙度具有弱改善作用，酸液溶蚀页岩对微孔强改善，同时在小孔产生沉淀造成弱伤害。综上可知，酸液对古龙页岩总孔隙度具有弱改善作用，且随着外来流体酸性的增强造成页岩总孔隙度增大；酸液对古龙页岩微孔具有强改善作用，对小孔造成弱伤害。

表2 10#岩心浸泡酸液后岩心内不同尺寸孔隙度Table 2 Porosity of different sizes of Core 10#after immersed in acid liquids

表3 10#岩心孔隙结构对酸液敏感性评价结果Table 3 Evaluation on sensitivity of pore structure Core 10#to acid liquids

图1 10#岩心饱和地层水及外来流体（S1、S2、S3）状态的T1—T2谱Fig.1 T1-T2 spectra of Core 10#saturated with formation water and external fluids(S1、S2、S3)

图2 10#岩心初始状态及浸泡酸液后孔隙分布对比Fig.2 Comparison of pore radius distributions of Core 10#at initial conditions and after immersed in acid liquids

2.1.2 碱液

图3 为横6-4 补岩心饱和地层水及依次浸泡不同强度碱液（S4、S5、S6）状态下核磁共振测试得到的T1—T2二维谱，由图3 可以发现，碱液浸泡后岩心内的微孔孔隙对应的信号量略有增大。图4 为基于实验数据处理得到的横6-4 补岩心在浸泡不同强度碱液后的孔隙分布对比结果。由图4 可知，外来碱性流体对古龙页岩总孔隙度的影响以伤害为主，伤害程度随碱液强度的增加先升高后降低。横6-4 补岩心饱和地层水条件下页岩总孔隙度为4.03%，碱液伤害最大条件下总孔隙度为3.47%，总孔隙度减少值为0.56 百分点。表4 为横6-4 补岩心在浸泡不同强度碱液后的孔隙分布量化表征结果。从表4 中可知，古龙页岩与外来碱性流体作用后导致微孔孔隙度略有增多，小孔略有减少。横6-4 补岩心饱和地层水条件下微孔孔隙度为0.76%，微孔孔隙度为1.08%时碱液伤害最大，微孔孔隙度增加值为0.32 百分点。横6-4 补岩心小孔、中孔、大孔孔隙度变化值为-0.83、0、-0.05百分点。

图3 横6-4补岩心饱和地层水及外来流体（S4、S5、S6）状态T1—T2谱Fig.3 T1-T2 spectra of Core Heng 6-4bu saturated with formation water and external fluids(S4,S5,S6)

图4 横6-4补岩心初始状态及浸泡碱液后孔隙分布对比Fig.4 Comparison of pore radius distributions of Core Heng 6-4bu at initial conditions and after immersed in alkaline liquids

表5 汇总了横6-4 补岩心的孔隙结构对不同强度碱液敏感性的评价结果，由表5 可知，碱液溶蚀页岩对微孔弱改善，同时对小孔造成弱伤害，碱液对总孔隙度具有弱伤害作用。综上，碱液对古龙页岩总孔隙度造成弱伤害，且随碱液强度增加伤害程度先升高后降低；碱液对古龙页岩微孔弱改善，对小孔造成弱伤害。

表5 横6-4补岩心孔隙结构对碱液敏感性评价结果Table 5 Evaluation on sensitivity of pore structure of Core Heng 6-4bu to alkaline liquids

2.1.3 中性滑溜水

图5 为15#岩心饱和地层水及依次浸泡不同体积分数滑溜水（S7、S8）状态下核磁共振测试得到的T1—T2二维谱，由图5 可知，浸泡滑溜水后核磁信号量基本不变。图6 为基于实验数据处理得到的15#岩心在浸泡不同体积分数滑溜水后的孔隙分布对比结果。由图6 可知，滑溜水对古龙页岩总孔隙度基本没有影响，15#岩心饱和地层水情况总孔隙度为7.07%，饱和高浓度滑溜水（S8）情况总孔隙度为7.27%，总孔隙度变化值为0.2 百分点。表6为15#岩心在浸泡不同体积分数滑溜水后的孔隙分布量化表征结果。从表6 中可知，古龙页岩与滑溜水作用后纳米级微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度变化不大。15#岩心饱和地层水后微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度分别为3.51%、3.28%、0.22%、0.06%，饱和滑溜水（S8）后微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度变化值分别为-0.19、0.46、-0.12、0.05 百分点。表7 为15#岩心的孔隙结构对不同浓度滑溜水敏感性的评价结果，由表7 可知，滑溜水对微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度基本无影响，页岩总孔隙度对滑溜水溶液不敏感。综上所述，古龙页岩孔隙结构对中性滑溜水不敏感，古龙页岩与中性滑溜水作用后纳米级微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度基本不变。

表6 15#岩心浸泡滑溜水后岩心内不同尺寸孔隙度Table 6 Porosity of different sizes of Core 15#after immersed in slick water

表7 15#岩心孔隙结构对滑溜水敏感性评价结果Table 7 Evaluation on sensitivity of pore structure of Core 15#to slick water

图5 15#岩心饱和地层水及外来流体（S7、S8）状态T1—T2谱Fig.5 T1-T2spectra of Core 15#saturated with formation water and external fluids(S7,S8)

图6 15#岩心初始状态及浸泡滑溜水后孔隙分布对比Fig.6 Comparison of pore radius distributions of Core 15#at initial conditions and after immersed in slick water

2.2 页岩对外来流体的敏感性机理

为探究古龙页岩对外来流体的敏感性机理，对6 块岩心进行了XRD 全岩定量检测及黏土矿物相对量检测，检测结果见表8 和表9。由表8 和表9可以看出：古龙页岩普遍含有石英、斜长石、黄铁矿及黏土矿物，部分页岩含有钾长石、方解石、铁白云矿、菱铁矿；古龙页岩中黏土矿物主要为伊利石、绿泥石及伊/蒙混层，部分页岩含有绿/蒙混层，其中伊/蒙混层中蒙皂石所占比例不高于20%。由于有方解石、铁白云矿、菱铁矿、黄铁矿、绿泥石的存在，盐酸作用于古龙页岩可以对这些矿物产生溶蚀作用，使孔隙空间增大，但在与黄铁矿作用时会生成单质硫沉淀。氢氟酸能够溶解古龙页岩中的黏土矿物、长石及石英，但同时可生成CaF2沉淀、MgF2沉淀、氟硅酸盐沉淀以及水化硅凝胶。因此，古龙页岩与酸液作用后会发生溶蚀也会生成沉淀，结合古龙页岩对酸液的敏感性评价结果可知，总体上以溶蚀作用为主，且生成的沉淀多聚集在小、中、大孔。碱液主要与古龙页岩中的黏土矿物、石英、长石等矿物发生溶解作用，同时生成胶体或沉淀致使储层孔隙空间总体上减小。古龙页岩中矿物与中性的滑溜水不发生化学反应，且古龙页岩黏土矿物中不含蒙皂石，以伊利石、绿泥石及伊/蒙混层为主，而在伊/蒙混层中蒙皂石的含量也很低，对页岩的孔隙空间影响很小，因此，古龙页岩对中性的滑溜水不敏感。

表8 XRD全岩定量检测结果Table 8 Quantitative XRD analysis

表9 黏土矿物相对量检验结果Table 9 Test result of relative contents of clay minerals

3 结 论

（1）酸液对古龙页岩总孔隙度具有弱改善作用，且随着外来流体酸性增强而页岩总孔隙度增大，岩心饱和地层水情况总孔隙度为3.46%，饱和强酸情况总孔隙度为4.41%，总孔隙度增加值为0.95 百分点；酸液对古龙页岩微孔明显改善，且随着外来流体酸性的增强页岩微孔孔隙度明显增大，岩心饱和地层水情况微孔孔隙度0.35%，饱和强酸情况微孔孔隙度为2.57%，微孔孔隙度增加值为2.22 百分点。酸液对古龙页岩微孔具有强改善作用，对小孔造成弱伤害。

（2）碱液对古龙页岩总孔隙度造成弱伤害，且随碱液强度增加伤害程度先升高后降低，岩心饱和地层水情况总孔隙度为4.03%，碱液伤害最大条件下总孔隙度为3.47%，总孔隙度减少值为0.56 百分点；碱液对古龙页岩微孔略有改善，古龙页岩接触碱液后微孔孔隙度略有增大，岩心饱和地层水情况微孔孔隙度为0.76%，微孔孔隙度为1.08%时碱液伤害最大，微孔孔隙度增大0.32 百分比。碱液对古龙页岩微孔弱改善，对小孔造成弱伤害。

（3）古龙页岩孔隙结构对中性流体不敏感，古龙页岩与中性滑溜水作用后微孔、小孔、中孔、大孔总孔隙度基本不变。