玛湖井区上乌尔禾组砂砾岩水敏伤害机理实验研究

2022-11-04叶义平蒋庆平梁程熊千邱子刚李胜贾俊飞张会勇

科学技术与工程 2022年27期

叶义平, 蒋庆平，梁程，熊千，邱子刚，李胜, 贾俊飞，张会勇

(新疆油田公司勘探开发研究院，克拉玛依 834018)

近年来，中国探明石油地质储量中致密油气储量所占比例越来越高，是上产的主要资源基础[1-2]。随着国内外石油的快速增长，油气勘探开发对象日趋复杂，储层品质越来越差，越来越多的致密油气资源投入开发[3-5]。新疆油田玛湖砂砾岩井区可开采石油储量潜力大，但是其存在一定的工程问题。具体表现为油井连续生产能力差，并且压力下降的快，没有开发效益，月递减率为40%～60%。在焖井阶段，玛湖1区块压降慢，返排过程中普遍出砂，并且具有较强的水敏伤害，目前对于水敏伤害程度及影响因素尚不清楚[6-9]。

在油气藏开发过程中，由于众多复杂因素(如外来流体的侵入、流体性质和流体状态的改变以及地层压力状态的改变等等)的影响，会引起储层孔隙度和渗透率的变化，不同程度损害油层产能，导致产量下降，即为储层的敏感性[10-13]。在储层开发的过程中，敏感性的损害对油气开采起关键作用。早在1950年，国外的学者开始重视油气储层的伤害及保护方面的研究，初期进展缓慢。到了1970年以后，油气藏伤害机理、理论及保护措施等方面获得了系统的发展及认识。在1990年代，逐渐引入数字岩心的模拟方法来分析伤害微观机制及影响因素，极大地促进了储层伤害的研究进度。部分学者通过实验发现，储层的孔隙结构、矿物组成、润湿性、物性等性质以及在流体作用下演化机制是影响储层敏感性的关键[14-15]。

近几年，致密油气藏的开发过程中，大规模的压裂液注入引起的水敏伤害逐渐引起国内外学者的广泛关注，有的学者因此研发了新型的装置用于评估流体对储层物性的伤害程度。张路锋等[16]对致密储层进行人工预制裂缝，并对裂缝-孔隙结构中的水敏伤害进行了系统研究；冯强汉等[17]分析了凝析气藏的伤害过程，通过压力、体积、温度(pressure, volume, temperature，PVT)相态实验对凝结作用下的流体伤害机理进行分析。还有部分国外学者通过分析裂缝性碳酸盐储层中的欠平衡水敏伤害作用，研发了一种实验设备来优化钻井液[18-19]。通过对围绕压裂液的伤害开展了大量的研究，很多学者发现压裂过程中会侵入储层与储层中黏土矿物发生反应，引起黏土膨胀、分散、运移[20-22]，流体渗流孔隙空间缩小，造成储层渗透率降低，产生水敏伤害。

前人针对常规储层、页岩及致密储层的伤害机理开展了大量的研究，然而围绕砂砾岩储层水敏伤害的研究较少。玛湖井区致密砂砾岩储集层黏土矿物含量较高，且膨胀性黏土矿物含量高，水力压裂后单井产量低，压力快速衰减，极大地影响了玛湖油气资源的高效利用。现针对玛湖砂砾岩开展电镜扫描实验、黏土矿物X衍射实验及润湿角测量实验等，明确砂砾岩储层微观结构及矿物组成特征；通过砂砾岩储层水驱油水迁移规律，阐明储层与压裂液的相互作用机理，定量评价压后岩心内部水敏的伤害程度。

1 实验材料与步骤

1.1 实验样品及参数

选取玛湖井区乌尔禾组致密储层，并且在整个玛湖区具有较强代表性的10块岩心样品开展室内实验，岩心基本物性参数详见表1。岩心深度为3 200～3 500 m，地层为上乌尔禾组。将样品加工为直径为2.5 cm，长度为3 cm的圆柱形样品，开展物性测试及水敏实验分析。通过物性分析可知，孔隙度为6.37%～16.24%，渗透率为0.09～0.28 mD，具有低孔、低渗的特点，为典型的致密储层。

表1 岩心样品参数Table 1 Core sample parameters

实验中采用的流体应优先选择地层水，或者可根据流体化学成分，室内配制或用蒸馏水将现场地层水、模拟地层水或矿化度下的标准盐水按一定比例稀释。然而，考虑到室内条件的限制，本实验中岩样初始渗透率所用流体为标准盐水，中间测试流体为1/2初始流体矿化度盐水。

1.2 实验步骤

在传统的水敏伤害评价基础上，结合计算机断层扫描(computed tomography, CT)进行微观结构分析，具体流体示意图如图1所示。样品水敏实验的步骤如下。

(1)洗油烘干后对干岩样进行CT扫描；对岩心一端进行(scanning electron microscope, SEM)矿物扫描。

(2)在围压10 MPa下抽真空12 h，饱和地层水。在驱替速度为0.01 mL/min的条件用地层水测得初始液相渗透率Ki，进行CT扫描。

图1 基于电镜及CT扫描的水敏实验步骤Fig.1 Experimental steps of water sensitivity based on electron microscopy and CT scan

(3)以0.01 mL/min的速度用蒸馏水驱替岩心，驱替15PV后静置12 h使蒸馏水与岩石矿物发生反应后用蒸馏水测定岩心渗透率Kw，进行CT扫描。

(4)将实验后的岩心烘干研磨至325目左右进行X衍射矿物识别测试。

(5)将蒸馏水换为滑溜水和胍胶(破胶液)两种压裂液重复上述步骤。

1.3 实验设备

1.3.1 聚焦离子束-扫描电镜(FIB-SEM)

聚焦离子束-扫描电镜(focused ion beam-scanning electron microscopy，FIB-SEM)是一款集高分辨场发射扫描电镜(SEM)的成像功能和聚焦离子束(FIB)的切割功能为一体双束系统，又可以用于对岩石中的矿物、有机质(或干酪根)和孔隙进行微米-纳米尺度的高精度的三维成像，又可以对其他材料做纳米加工，比如透射电镜样品制备，还可做晶体材料二维和三维电子背散射衍射(electron back scatter diffraction, EBSD)。

1.3.2 螺旋CT

双能螺旋CT主要用来对全尺寸的岩心进行三维扫描。CT扫描岩石的基本原理如下：CT机发射并接受X射线，通过测定X射线的衰减量，计算出被扫描岩石各单位体积元的X射线衰减系数，这些衰减系数将构成不同的数字矩阵，以清水的衰减系数为基准进行无量纲转换得到对应的CT值，通过CT机内数模转换最后重建出CT图像，图像中每个像素点(即各单位体积元)对应前面的CT值。由于不同物质的CT值不一样，因此，可利用岩心尺度上CT值的差别来进行相应的研究。

1.3.3 高温高压敏感性评价装置

敏感性流动驱替实验装置是进行基础五敏(水敏、速敏、盐敏、酸敏及减敏)、应力敏和温敏等敏感性评价的一种全自动流动实验装置[23-26]，其工作原理是根据达西定律，在实验设定的条件下注入各种与地层损害有关的流体，或改变渗流条件(流速、净围压等)，测定岩样的渗透率及其变化，以评价储层渗透率损害程度。同时，在改变流程的条件下，装置可以实现气驱、水驱、油驱等试验[27-29]，在模型出口实现油水自动计量。

2 实验结果及讨论

2.1 宏观伤害程度评价

本实验水敏伤害率是根据行业标准中水敏(压裂液)损伤率计算公式[30]，得到宏观上岩心的水敏损伤程度,公式为

(1)

式(1)中：Dw为水敏损伤率，%；Ki为初始渗透率，mD；Kw为水敏后渗透率，mD。

通过对1#、2#和3#三块样品进行水敏实验，实验结果如表2所示。结果显示，玛湖砂砾岩储层宏观上表现为中等偏强和强水敏特征。

表2 水敏损害程度评价Table 2 Evaluation of the degree of water-sensitive damage

2.2 水敏微观伤害机理

在砂砾岩样品注入蒸馏水，滑溜水及胍胶后，采用SEM对微观孔隙结构进行分析。并结合二值化的岩心切片图，可以得到伤害前后孔隙与岩石骨架分布差异。表3为伤害前后孔隙度变化，并且孔隙度损伤程度为蒸馏水=胍胶(破胶液)>滑溜水。

表3 伤害前后孔隙度Table 3 Porosity before and after injury

图2表示注入蒸馏水后伤害前后切片图。注入蒸馏水后，黏土矿物膨胀、分散、运移、堵塞，主要对较小的孔喉造成损伤，进而导致储层渗透率降低。而图3则表示注入滑溜水后伤害前后切片图。注入滑溜水后，其中的支撑剂对缝隙表面冲刷腐蚀，一方面微粒会被冲落聚集阻塞孔喉，一方面会导致缝隙闭合；同时，流体与储层矿物的不配伍性，也会导致黏土矿物膨胀、分散、运移、堵塞，最终导致储层渗透率的降低。图4表示注入胍胶后伤害前后切片图。对胍胶进行水浴加热至破胶后注入岩心，发现伤害后，一方面一些较小的孔喉发生堵塞，另一方面，在较大孔隙中间滞留了许多颗粒。

通过扫描电镜法对目标储层孔隙和吼道连通性进行分析。从表4中可以看出，三种试剂均存在一定水敏效应，造成黏土矿物的分散、膨胀、运移，封堵较小孔喉；滑溜水中的支撑剂的冲刷作用，会导致岩心的缝隙闭合；胍胶(破胶液)黏度较大，导致运移的黏土矿物填充较大孔隙中心。

图2 蒸馏水注入后伤害前后切片Fig.2 Distilled water injection after injury before and after section

图3 滑馏水注入后伤害前后切片Fig.3 Slice before and after injury after slip distilled water injection

图4 胍胶注入后伤害前后切片Fig.4 Section before and after injury after guanidine gel injection

2.3 伤害影响因素分析

2.3.1 XRD分析

(1)整体全岩矿物分析。表5、表6表示了岩块内的矿物组成以及其中黏土矿物组成。根据全岩资料，玛湖井区乌尔禾组低渗透砂砾岩储集层黏土矿物含量超过30%，且以伊蒙混层为主。伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石的相对平均含量分别为46%、4%、25%、26%，伊蒙混层的混层比为70%。通过大量水敏实验得到储集层水敏性强且易分散，并且根据岩心样品驱替前扫描电镜分析结果，储集层中存在一定量的石英、长石、黏土矿物等碎屑微粒。

表4 不同试剂的水敏效应Table 4 Water-sensitive effects of different reagents

表5 全岩矿物分析Table 5 Whole rock mineral analysis

表6 黏土矿物组成Table 6 Mineral composition of clay

(2)砾石和填隙物XRD分析。图5为不同样品的砾石和填隙物图。主要通过敲碎样品，手动分选来获得。砂砾岩储集层主要由水动力充足的沉积相带(如冲积扇、扇三角洲)，相较于剖同砂岩储层，由于其颗粒粒径大小不一、岩性差异大、分选性差，且发育微裂缝，致使砂砾岩储层物性变化快，储层渗透率差异大，非均质性强。

图5 不同样品砾石和填隙物图Fig.5 Map of gravels and infill of different samples

表7、表8分别为样品砾石与填隙物的成分。图7表示了样品的具体矿物成分。实验中，将砾岩岩心进行颗粒挑选，得到砾石和松散填隙物，分别进行碎样和XRD全岩分析。其中部分砾石(克205)遇水迅速分散溶解，大部分砾石常温常压遇水不易松散溶解。分析发现，砾石(原来认为是泥砾)中黏土矿物含量平均为28.6%，而填隙物中黏土矿物含量高达50%多，平均41.5%。黏土矿物是造成储层水敏的重要因素之一。填隙物中方解石含量也较高，部分高达10%以上，为酸敏矿物，一种是产生化学沉淀或凝胶；二是破坏岩石原有结构，产生或加剧速敏性。岩心样品中石英和长石含量较高，固结不紧的微晶石英、长石、高岭石、伊利石等为速敏矿物，易随流速增大产生分散迁移，堵塞孔隙和吼道。

表7 砾石成分Table 7 Gravel composition

表8 填隙物成分Table 8 Composition of gap filler

图6 不同砂砾岩样品的电镜扫描Fig.6 Electron microscope scans of different sand and gravel samples

2.3.2 SEM分析

图6为不同砂砾岩样品的电镜扫描。通过扫描电镜，样品胶结物主要以伊蒙混层、伊利石，绿泥石、高岭石为主。高放大倍数下可以观察到：大量的呈粒表蜂窝状的蒙脱石、伊/蒙混层，呈粒表弯曲片状的伊利石、粒间绒球状和花状的绿泥石、多边形板状的高岭石形态特征，且胶结物在粒间粒表均可见。通过扫描电镜对比分析，发现岩心孔喉中存在一定的黏土矿物和碎屑微粒，在水驱过程中这些微粒膨胀、分散、运移从而堵塞吼道。对于注入水矿化度减小实验，水驱后发生较强的黏土矿物水化作用和微粒运移，造成较强的储集层水敏伤害。

2.3.3 原子力显微镜结果分析

一般情况下，原子力显微镜的横向分辨率能达到1 nm，纵向分辨率为0.2 nm[31]，通过原子显微镜显示，可以直接接触到砾岩的微观层面。在同一纳米尺度下，表面粗糙度越大，与水接触时的表面积相对较大，水敏性强，更易发生水化膨胀、分散。通过图7原子力显微镜观测，可以看出各个样品的表面在微观层面仍是存在很大的粗糙度，各个样品的微观存在均以椭球形和球形为主。砂砾岩储层的高表面粗糙度也是强水敏伤害的重要原因之一。

2.3.4 润湿性结果分析

岩石矿物成分主要以硅酸盐矿物为主，在表面洁净的情况下，岩石一般是亲水的；但亲水程度不同，按亲水次序强弱依次是：石英、石灰岩、白云岩、长石。黏土矿物对岩石的润湿性有较大的影响，大部分黏土矿物亲水性较强(特别是蒙脱石)，泥质胶结物的存在也会增加岩石的亲水性[32]。由图8样品接触角度图可看出，固液界面接触角范围在15.24°～33.41°，呈现较强的亲水性。砂砾岩亲水性较强，毛细管力作为动力可将水基压裂液自发吸入孔隙中，诱发黏土矿物膨胀和水锁伤害，最终导致砂砾岩具有强水敏特征。