阜康凹陷头屯河组敏感性评价及主控因素

2022-12-01唐洪明周基贤张文锦

油气藏评价与开发 2022年6期

靳军，唐洪明，周基贤，刘淼，张文锦，周翊

（1.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500）

准噶尔盆地阜康凹陷侏罗系头屯河组是该地区的主力产油层位，在钻完井、酸化、压裂、注水、采油、提高采收率等勘探开发过程中，储层敏感性对单井产能影响大，并且制约了油气开发效率[1-5]。对于储层敏感性损害程度、机理与黏土矿物类型、含量间关系，前人做了大量的研究工作，普遍认为影响敏感性的主要因素为黏土矿物类型及其含量[6-8]，与孔喉大小及碎屑组分也有一定联系。水敏损害率与蒙脱石、伊/蒙间层相对含量呈正相关；酸敏损害率与绿泥石含量呈正相关；速敏损害率与高岭石、伊利石相对含量呈正相关，并且通常孔喉半径越小，越容易造成储集层敏感性增强。但敏感性损害与储层物性的关系，及其他填隙物间类型与含量间的关系研究不够深入，对孔隙结构的损害也并没有进行直观、定量的评价，对系统分析储层敏感性损害程度与机理不全面，甚至出现潜在的损害预测—室内评价—矿场生产三者相互矛盾等问题，难以科学地指导矿场生产措施的顺利实施。因此，以准噶尔盆地阜康凹陷头屯河组为研究对象，在综合分析储层地质特征、敏感性矿物类型与含量、填隙物类型与含量、孔隙结构等基础上，结合大量的敏感性室内评价数据，系统分析低渗储层敏感性损害机理与控制因素，为后期储层保护、注水开发、增产措施、提高采收率等技术的应用推广，提供技术支撑与科学依据，并为综合分析低渗储层敏感性损害机理提供典型案例。

1 储层地质特征

阜康凹陷是准噶尔盆地西北部油气资源最丰富的地区之一[9]，侏罗系头屯河组属于湖泊辫状河三角洲沉积体系[10]。岩性以长石岩屑砂岩为主，岩屑组分以凝灰岩为主；填隙物主要为泥质，含量2%～8%，其次为高岭石、方解石、微量黄铁矿以及自生石英等，不同类填隙物含量相差大。孔隙度平均为15.02%，渗透率平均为3.68×10-3μm2。储集空间主要为原生粒间孔及剩余粒间孔。根据流体资料分析，油藏原油为轻质、低黏度常规油。通过统计头屯河组不同含油饱和度样品（样品数量为19个）的黏土（粒径小于16 μm）绝对含量表明，油层黏土矿物绝对含量平均为3.6%，含油层黏土矿物绝对含量平均为7.28%，油水同层黏土矿物绝对含量平均为5.38%。

头屯河组砂岩黏土矿物中伊/蒙间层相对含量为4%～95%，平均为64.6%；高岭石相对含量为1%～85%，平均为14.6%；绿泥石相对含量为1%～47%，平均为10.4 %；伊利石相对含量为2 %～43 %，平均为9.6 %；间层比含量为76 %～92 %，平均为83.8 %。伊/蒙间层在中渗储层中主要表现为薄膜状，具有蜂窝状微结构（图1a、图1b）。高岭石单晶呈六方片状，集合体呈书页状、蠕虫状或者蚀变假象，主要分布在粒间（图1c）。绿泥石主要呈交代假象（粒内分布）（图1d），偶见粒间薄膜枳壳状（图1e）等。铸体薄片鉴定统计（样品个数为58）表明，填隙物类型多，以泥质为主（1 %～35 %，平均为1.75 %），其次为方解石（0～10%，平均为1.92%）；胶结物类型多，除自生黏土矿物外，还含有少量方解石、黄铁矿、方沸石、自生石英等。方解石以连晶状方式存在（图1f），自生石英微晶充填于粒间孔隙，其多呈垂直颗粒生长，并附着在伊/蒙间层表面。

图1 准噶尔盆地阜康凹陷头屯河组砂岩储层照片及黏土矿物赋存状态Fig.1 Reservoir photo and clay mineral occurrence state of Toutunhe Formation in Fukang Sag,Junggar Basin

2 实验流程与实验准备

实验采用岩心流动驱替方法，通过头屯河组9块典型段塞样实验曲线进行机理研究。依据石油行业标准《储层敏感性流动实验评价方法：SY/T 5358—2010》[11]进行头屯河组敏感性评价。头屯河组地层水总矿化度平均为4 128.23 mg/L，氯离子含量平均为1 863.45 mg/L，水型为NaHCO3型。头屯河组地层水矿化度低，水敏性损害是按照矿化度逐级降低的顺序评价，地层水矿化度4 128.23 mg/L、次地层水2 064.12 mg/L、蒸馏水；储层盐敏性损害是按照1、2、3、4、5倍模拟地层水矿化度逐级升高的顺序评价。以各个敏感性条件为横坐标，不同条件下岩样渗透率（Kn）与初始渗透率（Ki）的比值为纵坐标，绘制敏感性评价实验曲线。

为进一步深化储层敏感性损害机理，通过苏州纽迈电子科技有限公司生产的MacroMR12-150H-I核磁共振仪测量实验前后岩心的T2谱，对比敏感性损害对孔隙结构的影响程度；利用FEI公司的FEI Quanta 650扫描电子显微镜明确水敏性黏土矿物的膨胀、分散等机理，对比实验前后敏感性矿物产状与形态，深入研究目的层水敏性等损害机理。

3 储层敏感性损害评价及机理

3.1 速敏性损害评价结果与机理

表1和图2为头屯河组典型速敏实验结果，通过统计81块段塞速敏损害结果表明，无速敏和弱速敏样品占比67.9%，中等偏弱速敏样品占比14.8%，中等偏强和强速敏样品占比17.3%。由无速敏岩心的NMR-T2响应曲线（图2b）可以看出，T2谱呈单峰的形态，主要以中孔隙为主。对比实验前后曲线可知，实验后T2谱信号量减小了2%，且减小发生在T2=10 ms左右谱峰值，推断微粒运移主要发生在相对大的孔隙，其为主要渗流通道，同时微粒运移后会导致岩心孔隙度与孔隙分布的变化。岩心速敏性弱，孔隙分布变化不大。高岭石等是速敏损害源，头屯河组中高岭石呈蠕虫状集合体赋存于颗粒之间，并伴有方解石胶结，微结构稳定（图1c、图1f）；伊利石呈毛发状但含量低，不是速敏损害主要损害源。低渗透储层孔隙细小，实验过程中时有驱压过高，流量难以达到行业标准要求的6 cm3/min，根据行业标准，压力梯度大于2 MPa/cm时，可结束实验。对于小孔隙而言，流体在其中的渗流速度慢，分散质点状黏土矿物以及其他一些分散状填隙物等是速敏损害源，但由于其难发生启动与运移，不会发生速敏损害。因此，对于低渗储层而言，微纳米级孔隙占优，不管是注水或者采油，渗流速度有限，微粒运移压差大，速敏不是储层主要损害类型。

表1 头屯河组储层岩心速敏损害测试数据Table 1 Reservoir core velocity sensitive damage test data of Toutunhe Formation

图2 头屯河组典型速敏实验结果Fig.2 Experimental curve of velocity sensitivity of Toutunhe Formation

3.2 水、盐敏性损害评价结果与机理

表2和图3为头屯河组典型水敏、盐敏实验结果，通过统计水敏实验结果（样品个数为80）表明，强水敏和中等偏强水敏样品占比63.8 %，中等偏弱水敏样品占比33.8 %，弱水敏样品占比2.5 %，头屯河组整体具有中等偏强—强水敏性。对比不同矿化度水敏实验前后的NMR-T2响应曲线，峰变化在1 ms左右，水敏后T2谱信号量减小17%，说明储层发生水敏后对岩心孔隙结构造成了一定破坏，其原因是水敏性黏土矿物（伊/蒙间层）的膨胀与分散运移[12-14]，黏土膨胀占据更多的孔隙体积（图3b）；同时薄膜状黏土膨胀后，赋存在薄膜上的其他微粒从颗粒表面剥离下来，从稳定的微粒，变为可运移的微粒，这些微粒包括高岭石、杂基等，使得水敏反应后还叠加了速敏损害效应。

表2 头屯河组储层岩心水敏、盐敏损害测试数据Table 2 Water/salt sensitive damage test data of reservoir cores of Toutunhe Formation

73块样品盐敏实验结果统计表明，中等偏强和强盐敏样品占比89.1 %，中等偏弱盐敏样品占比18.8 %，弱盐敏样品占比6.3 %，头屯河组具有中等偏强—强盐敏，临界矿化度为2倍地层水矿化度（8 256.46 mg/L）。图3d表示不同矿化度流体反应前后NMR-T2响应曲线，主峰在1 ms左右，以小孔隙为主；T2谱对比表明，盐敏实验后T2谱信号量减少幅度为10 %，小孔体积空间未发生明显变化（T2＜1 ms），分析其原因可能是孔隙太小，黏土膨胀空间受限，膨胀强度没有大孔中明显；而对于相对大的孔隙，其是流体渗透主要通道，易于与不同类型流体接触反应，即发生伊/蒙间层、蒙脱石等水敏性矿物晶格剥离、分散、运移，在T2谱体现出T2＞1 ms对应的孔隙体积减小，而且随着矿化度增加这种趋势变化越明显。因此，盐敏损害后岩心孔隙体积有所减小，盐敏损害发生在相对大孔隙中，黏土分散与运移分割孔隙，导致大孔隙向小孔隙变化，使得岩心渗透率降低。

图3 头屯河组水敏、盐敏感性实验曲线Fig.3 Experimental curve of water/salt sensitivity of Toutunhe Formation

通过原位电镜观察水敏性矿物的水化膨胀（图4）可见：呈薄膜状充填于粒间与粒表的黏土矿物浸泡后会膨胀且从颗粒表面剥离，流体冲刷下易发生分散运移，同时由于膨胀会形成粒缘缝（图4a、图4b）；另一种现象为充填在颗粒间的黏土矿物浸泡后明显发生膨胀，将孔隙充填更“饱满”，颗粒间的缝明显减小（图4c、图4d）。这两种方式的损害均会导致孔隙半径减小，与前述核磁T2谱实验结果吻合。值得注意的是如果伊/蒙间层等表面赋存有自生石英、杂基等微粒，随着水敏性黏土矿物的膨胀与剥离，原本稳定的颗粒也会随黏土的分散运移而发生运移，加剧储层水敏性损害，但这种诱发其他微粒的损害，与传统定义的水敏性矿物膨胀分散运移不同，为水敏矿物损害后的“速敏损害”叠加效应，属于“次生”损害。

图4 头屯河组浸泡实验前后镜下原位观察Fig.4 In-situ observation under microscope before and after immersion experiment of Toutunhe Formation

3.3 酸敏性损害评价结果与机理

图5是使用土酸液（12%HCl+3%HF）驱替前后的典型酸敏实验曲线。通过49块段塞样品酸敏实验结果表明，无酸敏样品占比16.3%，弱酸敏样品占比28.6%，中等偏弱酸敏样品占比22.4%，中等偏强酸敏样品占比20.4 %，强酸敏样品占比12.2 %。整体来说，头屯河组酸敏损害程度范围大，从无酸敏到强酸敏均有涉及，酸敏损害程度主要呈弱—中等偏弱。对于储层物性低、填隙物含量高、钙质组分少的储层，预测有酸敏，实验评价结果也证实存在酸敏，这类储层占比55.0 %（中等偏弱—强酸敏）；酸敏机理是残酸返排困难，易于形成二次沉淀等，导致孔喉减小，发生酸敏损害。

弱酸敏储层占比28.6%，如图5所示，F022岩样酸敏损害率为3.27%，评价损害程度为无损害（表3），对比酸敏实验前后T2谱表明，酸对储层孔隙结构改变大。由于二次沉淀、微粒运移等，导致相对大孔喉变成中小孔喉，但是渗流率影响不大。

图5 头屯河组酸敏感性实验曲线Fig.5 Experimental curve of acid sensitivity of Toutunhe Formation

表3 头屯河组储层酸敏实验前后孔隙结构各参数对比Table 3 Comparison of pore structure parameters before and after acid sensitivity test in Toutunhe Formation

根据储层敏感性矿物类型以及孔隙结构特征预测储层无酸敏，但是实验评价为酸敏损害，原理与机理见4.3。

3.4 碱敏性损害评价结果与机理

碱敏实验2块样品，一块损害率为45.7%，碱敏损害程度为中等偏弱，另一块损害程度为65.6%，碱敏损害程度为中等偏强（表4）。F051样品是一块中孔、中渗岩心，其NMR-T2曲线呈双峰形态，NMR-T2横坐标数值出现在1～100 ms，驱替完碱性流体后，在NMR-T2横坐标数值为10～100 ms变化波动较大。碱性外来流体诱发黏土矿物分散，结构失去稳定，或者与石英、长石等有溶解作用发生。F022岩心碱敏损害率为45.7%，是一块低孔、超低渗岩心，NMR-T2曲线呈双峰形态，NMR-T2主峰分布在10～100 ms，该岩心以大孔隙为主。岩心驱替后，小孔隙体积减小，大孔隙体积略有增加。

表4 头屯河组储层岩心碱敏损害测试数据Table 4 Alkaline sensitive damage test data of reservoir cores of Toutunhe Formation

4 敏感性损害控制因素讨论

储层敏感性损害控制因素有很多，包括黏土矿物含量、黏土矿物类型和储层物性特征，其中黏土矿物类型和含量是主要因素[15-17]。重点讨论头屯河组各因素对敏感性损害程度的影响。

4.1 黏土矿物类型与含量

储层的黏土矿物特征是影响储层敏感性的主控因素，头屯河组究竟是什么相关性呢？图6分别将不同类型黏土矿物相对含量与各敏感性损害率进行对比，结果表明各类黏土矿物的相对含量与速敏损害率相关性不大。据图6b、图6c，水敏、盐敏损害率与伊/蒙间层相对含量呈正相关，主要原因是伊/蒙间层矿物中，富含具有膨胀性和亲水性的蒙脱石（间层比平均为83.8%），并且伊/蒙间层产状多呈蜂窝状。与低于地层水矿化度的流体接触时，蒙脱石发生膨胀，伊/蒙间层由于膨胀层而解体，高岭石等非膨胀性微粒亦会分散迁移，堵塞孔隙，造成地层渗透率下降[18-19]。与水敏相似，伊/蒙间层和伊利石对储层盐敏损害率也有重要影响（图6c），当伊/蒙间层与高于地层水矿化度流体相遇时，会压缩黏土颗粒扩散双电层厚度，造成颗粒失稳、脱落，堵塞孔隙喉道，引起储层渗透率的降低。绿泥石是影响储层酸敏感性最主要的黏土矿物，随着伊/蒙间层含量增加，酸敏损害呈一定的正相关性（图6d），但与酸敏性矿物相关性不强，是因为绿泥石含量低，且大部分绿泥石赋存形式为粒内交代假象。研究区块的主要黏土矿物类型为伊/蒙间层，影响各种敏感性的损害程度，因此，储层敏感性损害强度与黏土矿物类型有关。

图6 头屯河组黏土矿物相对含量与各敏感损害率关系Fig.6 Relation between relative content of clay minerals and sensitivity index of Toutunhe Formation

4.2 储层物性

速敏的临界流速随渗透率增加，呈加大趋势（图7a），气测渗透率小于50×10-3μm2时，储层临界流速小于15 m/d，因为驱替压差高，低渗储层速敏室内评价难以达到行业标准要求的最高流量6 mL/min。渗透率越大，速敏的临界流速越大且发生中偏强的速敏损害；渗透率低的储层，微孔小，渗流压差大，但产量低，难以启动微粒，发生规模性运移与堵塞。

渗透率对水敏、盐敏损害也有一定的控制，随渗透率增加，水敏/盐敏损害率呈增加趋势。物性好的储层，水敏/盐敏性矿物呈薄膜状特殊产状，与外来流体接触更充分，损害程度更大（图7b）。酸敏损害主要是二次沉淀，以及富含铁镁质元素的火山岩岩屑，碳酸盐矿物等，碳酸盐矿物可通过盐酸预处理预防其二次沉淀，头屯河组绿泥石呈集合状产出，与酸接触面积和强度受限，酸敏损害程度不均匀（图7c），与富铁镁的火山岩岩屑以及其他填隙物有关。

图7 头屯河组渗透率与各敏感性关系Fig.7 Relation between permeability and sensitivity of Toutunhe Formation

4.3 其他填隙物

研究区绿泥石相对含量偏低，部分井绿泥石相对含量仅有6%，而部分岩心酸敏损害程度室内评价却达到中等偏强，且损害主要发生在物性相对好的储层中（渗透率大于10×10-3μm2）。这一情况表明绿泥石已不再是影响酸敏性最主要的因素。

铸体和电镜观察表明黏土矿物呈薄膜状产出，同时粒表和粒间赋存大量的自生石英微晶（直径小于5 μm）（图8a—图8b）。根据区域地质背景及成岩演化推测，这种石英微晶可能是凝灰质玻脱化作用形成[20]。成岩阶段早期，在碱性的埋藏环境下，凝灰质经蚀变转化成蒙脱石，在此过程中释放出的二氧化硅在颗粒表面形成自生石英微晶。这些自生石英微晶多呈垂直颗粒生长，并且附着在伊/蒙间层表面，由于没有石英碎屑颗粒起到成核作用[21]，即使有充足的二氧化硅也难以生长成较大的自生石英，只能以石英微晶的形态存在。此外，凝灰质的脱玻化作用虽然会产生一定量的微孔隙，但发育空间仍不足够供自生石英生长。

图8 头屯河组酸敏实验前后结果Fig.8 Results before and after acid sensitivity experiments of Toutunhe Formation

储层中绿泥石平均含量为10.4%且呈集合体假象产出（图1d），碳酸盐岩平均含量为3.0%。从酸敏性矿物类型与含量预测，储层不会存在这么强的酸敏性损害。3.3节讨论了弱酸敏的情况，而出现中等偏强—强酸敏的原因如下。对比NMR-T2谱可知，酸化对岩石孔隙分布改变的影响较大，尤其是相对大的孔隙。F5井岩心酸敏损害率为54.2 %，损害程度为中等偏强（表3），酸敏实验前后核磁T2谱（图9）表明驱替后T2谱左移，向NMR-T2横坐标数值较小的方向偏移且NMR-T2谱信号量减小11 %，说明岩石酸化导致的二次沉淀或者其他堵塞物堵塞了孔隙，同时将大孔隙分割成小孔隙，NMR-T2谱曲线主峰出现时间由100 ms转变为30 ms。

图9 F5井使用土酸液流体损害前后NMR-T2响应曲线Fig.9 NMR-T2 response curve before and after soil acid fluid damage of Well-F5

储层土酸液作用后，酸会溶蚀部分黏土，改变颗粒间电荷平衡，而石英微晶颗粒小，比表面积大，与酸作用后易于从颗粒表面剥离下来，发生迁移，堵塞孔隙，同时产生的Si4+会与溶液中的OH-离子结合形成难溶的硅酸盐胶体沉淀，造成渗透率降低（图8c）。结合T2谱对比发现，酸化对这种富石英微晶储层的孔隙结构改造作用强，自生石英成为可运移的微粒，堵塞孔隙，使得孔隙度减小。关于方解石和少量白云石等钙质胶结对储层损害机理等，不再做赘述。富钙镁质的岩屑与填隙物，虽与土酸液不直接产生沉淀，但释放的Fe3+与残余的酸液中的OH-离子可形成氢氧化物的等二次沉淀，造成渗透率下降[22-23]，加剧酸敏损害。总之，对于富含自生石英等填隙物的储层，酸化能溶解的矿物组分含量少，酸化除了会产生常规二次沉淀损害储层外，还会产生损害机理与传统二次沉淀等损害形式不同的形式，即溶蚀表层黏土导致自生石英等晶体从骨架颗粒表面剥离，形成可移动微粒，堵塞孔隙，呈现中偏强—强酸敏、碱敏损害。