准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组储层水敏效应及主控因素

叶义平, 肖易航, 寇 根

(1.中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;3.中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院 砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000)

当储层遇到低矿化度流体时，会造成一定程度的黏土矿物膨胀与颗粒运移，从而使得储层基础物性发生变化，即储层的水敏效应[1-2]。随着化石能源的勘探开发逐渐转向低渗、致密储层，储层敏感性的研究也得到了更多的关注。准确评价水敏效应的特征、精确分析其主控因素，对于储层保护及提高采收率具有重大意义[3-4]。

“地层伤害”概念被提出的60余年以来，国内外诸多学者对其进行了研究。然而，国内研究起步较晚，且低渗、致密储层较多，为储层敏感效应的研究带来了困难。王宝玲等[5]首先对储层水敏效应的影响因素进行了分析，研究结果表明膨胀型黏土矿物与渗透率为水敏效应的主要影响因素；王欣等[6]通过聚类分析法对储层敏感性的主控因素进行了研究，结果表明影响水敏性的主要因素有蒙脱石含量、伊蒙混层含量、石英含量、胶结物含量、胶结类型、主要孔喉半径、孔隙度、气测渗透率；并应用统计学的方法发现不同渗透率范围内会产生不同的水敏指数，且对其原因进行分析[7]。以上3项为国内早期且较为详细的研究。诸多学者也通过多种研究手段，针对砂岩、致密砂岩、碳酸盐岩储层展开详细的水敏评价研究，并提出相应的开发对策[8-18]。

准噶尔盆地玛湖凹陷是目前世界上最大的砂砾岩油藏，通过近年的不断突破，展现了良好的开发前景。但是，砂砾岩储层非均质性强，基础物性差，水敏效应严重，极大地限制了采收率的提高[19]。对玛湖斜坡水敏评价的研究较少，且研究结论均为水敏指数的定性评价，以及笼统地认为黏土矿物含量、类型及孔隙结构是玛湖斜坡水敏效应的主控因素，对其具体关系均未明确指出[20-25]。因此，有必要对玛湖斜坡水敏效应进行更为细致的研究，以得出水敏效应与主控因素之间的关系。

基于上述问题，本文针对玛湖凹陷下三叠统百口泉组(T1b)两种不同岩性的样品进行水敏效应研究。首先，对不同岩性样品的基础物性、黏土矿物特征以及孔隙结构进行分析；然后，结合以上分析内容，对水敏效应进行评价，并得出研究区水敏效应的主控因素；最后，利用填砂模型进行单一因素研究，以验证主控因素分析的正确性。

1 岩心基本特征

1.1 基础物性及矿物特征

A井与B井均位于玛湖斜坡，实验样品为百口泉组岩心各6块。基础物性与黏土矿物特征如表1所示。A井岩心均为细/小砾岩，而B井的岩心均为含砾粗砂岩；A井样品的平均孔隙度率大于B井，但是A井样品的克氏渗透率与液测渗透率均远小于B井，且液测渗透率较克氏渗透率小1～2个数量级，这是低渗储层的明显特征。由于液测渗透率可能会导致微粒运移、岩-水反应等诸多不确定因素，因此，后续研究采用克氏渗透率对水敏结果进行分析。A井样品中黏土矿物含量略高于B井。根据黏土矿物相对含量可以看出，A井与B井均以伊-蒙混层为主，其次是伊利石、高岭石与绿泥石。

表1 样品基础物性与黏土矿物特征Table 1 Base physical properties and clay mineral characteristics of rock samples

引发水敏效应的根源为不配伍流体导致黏土矿物发生膨胀与运移，进而造成渗透率下降，而黏土矿物的产状对其有重要影响。通过对实验样品进行扫描电镜观察可以看出，伊-蒙混层多为网状结构，此矿物在16 h内的膨胀率达23%～25%[21]，是引发水敏的主要因素；伊利石具有一定的膨胀性，明显的层间结构(网状、蜂窝状结构)使其具有极大的比表面与表面能，因此，结构易被破坏，从而堵塞喉道；绿泥石多为针叶状与绒球状，在水-岩反应后易分散，从而堵塞喉道；高岭石以蠕虫状为主，其极小的比表面不会产生膨胀效应，且在临界流速内不会发生颗粒运移(图1)。

图1 黏土矿物扫描电镜照片Fig.1 SEM images of clay mineralsA井黏土矿物特征：(A1)粒间孔充填网状伊-蒙混层; (A2)粒间孔充填蜂窝状伊利石; (A3)粒间孔充填针叶状绿泥石; (A4)粒间孔充填蠕虫状高岭石。 B井黏土矿物特征： (B1) 粒内溶孔充填伊-蒙混层; (B2)粒间孔充填网状伊利石; (B3)粒间孔充填绒球状绿泥石; (B4)粒间孔充填蠕虫状高岭石

因此，可以将黏土矿物分为膨胀型[伊-蒙混层(I/S)]与颗粒运移型[伊利石(I)与绿泥石(C)]。图2为两种黏土矿物类型的质量分数(w)对比，可以看出，A井膨胀型矿物平均质量分数为3.37%，颗粒运移型矿物平均质量分数为1.57%；B井膨胀型矿物平均质量分数为2.62%，颗粒运移型矿物平均质量分数为1.21%。两口井的膨胀型矿物含量均高于颗粒运移型矿物，说明矿物水化膨胀是引起水敏损害的主要因素，而颗粒运移则是次要因素。

图2 黏土矿物质量分数对比图Fig.2 Comparison of the mass fraction of clay minerals

1.2 孔隙结构特征

通过高压压汞实验可以得出样品的孔隙结构特征。图3为实验样品的高压压汞实验结果(为了清晰对比进汞曲线的规律，省略退汞曲线)。可以看出，在同一饱和度下，A井(1号～6号样品)较B井(7号～12号样品)具有更高的毛细管压力；A井的孔喉分布范围要小于B井，且A井样品的大孔隙极少。进一步地，A井的平均排驱压力明显高于B井，而退汞效率、平均喉道半径及喉道分选系数明显小于B井。这一现象说明，A井的孔隙结构明显差于B井，且与基础物性表现出相同的差异性；但是B井的喉道分选性差于A井。将孔喉半径≤0.1 μm的孔隙定义为小孔，孔喉半径>0.1 μm的孔隙定义为大孔，从图3-B可以看出，A井大孔隙占比极少(平均为13.84%)，而B井大孔隙平均占38.08%。

图3 高压压汞曲线及特征Fig.3 High-pressure mercury pressure curves and characteristic values

2 水敏性评价与主控因素分析

2.1 水敏性评价

当水敏性黏土矿物的质量分数达1%～4%时就有可能造成渗透率下降[26]。水敏实验的流体为地层水、1/2矿化度地层水以及蒸馏水，依次注入样品进行渗透率测试，本次实验步骤以及参数评价根据《储层敏感性流动实验平价方法标准SY/T 5358-2010》[27]进行。A井区地层水为CaCl2型，矿化度为9 845.38 mg/L；B井区地层水同样为CaCl2型，矿化度为20 512.59 mg/L。为了防止在水敏实验过程中产生速敏现象，因此，注入速度均在临界流速以下，通过前期实验得出A井与B井的临界流速均为0.25 mL/min，因此，实验注入速度设定为0.2 mL/min。

图4为A井、B井的水敏曲线图,可以看出A井的渗透率下降趋势接近于线性变化，且下降幅度较小；B井的实验样品在1/2地层水处产生了明显的渗透率下降，而蒸馏水对渗透率的伤害值减小。从图5可以看出，A井的平均水敏指数(33.55%，中等偏弱水敏)远低于B井的平均水敏指数(79.38%，强水敏)。

图4 水敏曲线图Fig.4 Water sensitivity curves

图5 水敏指数对比图Fig.5 Correlation of water sensitivity index

2.2 主控因素分析

通常认为水敏矿物的绝对含量与水敏指数存在明显的正相关性[5, 21]。但是我们可以从表1以及图6可知，A井样品的黏土矿物含量虽然略高于B井，但是B井样品的水敏指数远大于A井。因此，水敏矿物的含量并不是造成两井水敏差异的主要因素，并且通过图6可以看出，对于同一井的样品而言，黏土矿物含量与水敏指数也并未存在明显关系。产生这一现象的原因有以下3种：

图6 黏土矿物含量与水敏指数关系图 Fig.6 Relationship between clay mineral content and water sensitivity index

①B井样品的平均喉道半径与大孔隙占比较大，极大增加了黏土与流体发生接触的概率；②通过图3可知，B井样品的喉道分选系数较大，即分选性较差，易造成喉道封堵；③通过调研相关资料发现，A井样品的胶结类型普遍为压嵌-孔隙式，而B井样品的胶结类型普遍为压嵌式，因此，B井样品的胶结程度较差，易产生颗粒运移。

图7为克氏渗透率与水敏指数关系图，为了凸显其规律性，将克氏渗透率调整为对数坐标。可以看出，两口井的水敏指数均与克氏渗透率呈现较好的相关性，但是体现出截然不同的规律。对于A井而言，水敏指数随着克氏渗透率的增加而急剧增加；而B井的水敏指数随着克氏渗透率的增加而缓慢减小。产生这一现象的原因是，对于A井样品而言，首先，渗透率的增加使得水相更易进入孔隙，进而增加了水敏损害程度；其次，根据封堵理论，当颗粒直径与喉道直径之比为1/3～1/10时易发生多颗粒桥堵[8]，因此，渗透率的增加也提高了桥堵效应的概率；最后，由于喉道半径小，水敏伤害对渗透率的变化极为敏感。对于B井样品而言，其平均孔喉半径较A井大一个数量级，且大孔隙占比较高，因此，在矿物膨胀倍数相同的情况下，随着渗透率的增加，矿物膨胀对喉道流动能力的损害明显减小，且不易发生桥堵效应，颗粒甚至可能运移出样品端面。

图7 克氏渗透率与水敏指数关系Fig.7 Relationship between Klinkenberg permeability and water sensitivity index

为了进一步研究水敏伤害机理，对第一次伤害(1/2矿化度地层水)与第二次伤害(蒸馏水)的差异(第一次伤害率减去第二次伤害率)进行对比(图8)。通过图8可以看出，对于A井而言，除了5号和6号样品，第二次伤害率均略大于第一次伤害率，且二者不存在明显差异性；对于B井而言，除了11号和12号样品，第一次伤害率明显大于第二次伤害率。产生这一现象的根本原因是渗透率与润湿性协同作用。有研究表明，随着注入水矿化度的降低，可增强孔隙表面的亲水性[28-29]。对于A井样品而言，由于喉道半径极小，导致水相进入喉道时的阻力较大，蒸馏水以更强的亲水特征而进入更多的孔隙，因此导致第二次伤害率略大于第一次伤害率；对于B井样品而言，其喉道半径明显较大，因此1/2矿化度地层水即可进入大部分孔隙，从而导致第一次伤害率明显大于第二次伤害率。

图8 第一次与第二次伤害率对比图Fig.8 A comparison of the first and second water sensitive damage rates

3 水敏主控因素验证

在前面已对水敏伤害类型、水敏的主控因素进行了分析，即水敏伤害以膨胀型为主，且渗透率是影响水敏指数的主要因素。然而，由于砂砾岩储层非均质性极强，诸多不确定因素均可影响其流动能力，因此，利用填砂模型进行单一影响因素研究，以验证主控因素分析的正确性。

3.1 填砂模型制作与物性测试

填砂模型的制作材料为100～200目及300～400目的石英砂与膨润土(蒙脱石质量分数>85%)，按照19∶1的比例进行混合，且按照不同的压力(10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa)压制24 h后，进行气测渗透率实验，孔隙度实验采用饱和流体法。填砂模型的制作方法、仪器介绍以及饱和流程可参考肖易航等人相关研究[30-31]。表2为填砂模型的基础物性，可以看出，随着压制压力的增加，克氏渗透率与液测孔隙度均明显减小，且目数越大，渗透率越小。

表2 填砂模型基础物性Table 2 Base material properties of sand-packed models

3.2 填砂模型水敏实验

填砂模型水敏实验采用5 g/L的CaCl2溶液以及蒸馏水作为实验流体。首先，对填砂模型饱和CaCl2溶液(或蒸馏水)；饱和结束后，以0.1 mL/min的速率注入填砂模型，当注入量达10倍孔隙体积后，关闭出入口阀门，使填砂模型与流体充分反应2 h(膨润土在2 h可膨胀14%[32])；最后，对渗透率进行测定。图9为填砂模型水敏实验结果，可以看出，随着气测渗透率的增加，盐水与蒸馏水渗透率均随之增加；伤害率也出现明显的拐点，即当克氏渗透率<12.37×10-3μm2时(5号～8号样品)，水敏伤害率随着克氏渗透率的增加而明显增加，而当克氏渗透率>25.36×10-3μm2时(1号～4号样品)呈现相反的趋势。这一实验结果与真实岩心呈现出的规律(图7)相同，则前文对于渗透率与水敏指数关系的分析是正确的。

图9 填砂模型水敏实验结果Fig.9 Experimental results of water sensitivity for sand-packed models

4 结 论

本文对玛湖凹陷百口泉组细/小砾岩、含砾粗砂岩储层的水敏效应进行评价，结合岩心基础物性、矿物成分以及孔隙结构对水敏效应的主控因素进行分析，并利用填砂模型水敏实验对主控因素进行验证，结论如下：

a.细/小砾岩具有更小的平均喉道半径与大孔占比，使细/小砾岩渗透率明显较小，且具有更高的排驱压力，更低的退汞效率。但是，细/小砾岩的喉道分选性优于含砾粗砂岩。

b.细/小砾岩的黏土矿物含量略多，两种岩性的黏土均以伊-蒙混层为主，其次为伊利石、绿泥石、高岭石。因此，研究区水敏损害的主要因素为矿物水化膨胀，次要因素为颗粒运移。开发过程中不宜进行低矿化度水驱，并可适当使用防膨剂。

c.细/小砾岩的平均敏感性指数远低于含砾粗砂岩。其原因为：含砾粗砂岩的平均喉道半径与大孔隙占比较大，增加了黏土与流体接触的概率；喉道分选性与胶结程度较差，易造成颗粒运移与喉道封堵。因此，对于含砾粗砂岩储层的开发，不宜高速开采，以防发生速敏伤害。

d.细/小砾岩的敏感性指数随着克氏渗透率的增加而急剧增加；而含砾粗砂岩的敏感性指数随着克氏渗透率的增加而缓慢减小。其主要原因为：对于细/小砾岩而言，渗透率的增加提高了水敏效应与桥堵效应发生的概率，但是由于喉道半径小，水敏伤害对渗透率的变化极为敏感；对于含砾粗砂岩而言，平均孔喉半径较细/小砾岩大一个数量级，且存在大量的大孔隙，因此，随着渗透率的增加，水敏对喉道流动能力的损害减小。以上分析的合理性得到了填砂模型实验的验证。

e.对于细/小砾岩而言，第一次伤害率与第二次伤害率无明显差异，但是含砾粗砂岩的第一次伤害率明显大于第二次伤害率。其原因为：对于细/小砾岩而言，蒸馏水以更强的亲水特征而进入更多的孔隙，因此导致伤害率更大；对于含砾粗砂岩而言，其喉道半径明显较大，因此1/2矿化度地层水即可进入大部分孔隙，从而导致其伤害更为明显。这一现象进一步证明，在开发过程中不宜注入低矿化度水，且注入水矿化度不低于地层水矿化度的一半。