注盐酸对致密砂岩气藏微观孔径分布的影响

赵金省,黄晓东,马景洋,李 攀,侯 瑞

(1.西安石油大学 石油工程学院,陕西 西安 710065;2.陕西省油气田特种增产技术重点实验室,陕西 西安 710065;3.中国石油长庆油田分公司 第六采油厂,陕西 定边 718606;4.中国石油长庆油田分公司 第三采气厂,内蒙古 乌审旗 017300;5.中国石油长庆油田分公司 天然气评价项目部,甘肃 庆阳 745000)

引 言

苏里格气田是鄂尔多斯盆地典型的致密砂岩气藏,储层孔喉结构复杂,孔喉大小以微纳米孔喉为主[1-4],从而导致气藏自然产能较低。为了提高气井产能,气井投产前通常要通过压裂、酸化等方法进行储层改造。砂岩储层由于石英含量较高,通常采用土酸体系进行酸化,但氢氟酸处理地层时,容易产生不溶性氟化物、氟硅酸盐、氟铝酸盐及硅胶等沉淀物,并吸附在颗粒表面,造成孔喉堵塞等二次伤害[5-6]。

尽管盐酸对砂岩储层的溶蚀效果不是最好,但在砂岩储层改造过程中也不时用到盐酸,比如对于一些近井地带的酸化解堵[7]、前置酸液压裂[8]、压裂后降解压裂液残渣而作为处理剂[9-10]。王勇[7]针对砂岩油藏注水井近井地带用盐酸进行解堵,基本无二次伤害。吴锦平等[11]提出用盐酸酸化来解除砂岩储层的伤害,施工见到了明显的效果。顾燕凌等[12]针对陇东三叠系砂岩储层物性差、喉道半径小、填隙物含量高等特点,提出用主体酸为盐酸的前置酸压裂工艺,取得了较好的增产效果。对致密储层酸化后孔喉结构变化,国内外相关学者均进行了针对性的研究。闫燕华等[13]采用扫描电镜、全岩分析、铸体薄片等方法对砂岩土酸酸化前后的矿物成分和孔喉结构的变化进行了分析。陈刘瑜等[14]采用X射线衍射分析、核磁共振等手段对土酸作用后的页岩孔隙体积、孔隙率、孔径分布等微观结构物性参数进行了分析。刘红现[15]采用毛管流动孔隙结构仪分析了多氢酸酸化对砂岩储层微观孔隙结构特征的影响。廖纪佳等[16]利用扫描电镜、毛管流动孔隙结构仪对西峰油田长8油层土酸处理前后的储层孔隙结构参数变化进行了分析,结果表明酸化后储层有效喉道大小没有得到明显改善。Hanafy[17]和Gomaa[18]利用了核磁共振技术表征酸化前后砂岩样品的矿物成分、微观结构和孔隙体积的变化。Wu等[19]利用显微镜观察了页岩酸压前后微观孔隙结构的变化。综上,国内外学者针对砂岩储层、页岩储层盐酸处理工艺以及酸液处理后的微观孔喉结构的变化均进行了相关研究,但是针对致密砂岩气藏盐酸处理对微观孔喉分布的影响还未见有报到。针对此,考虑到致密砂岩气藏在近井地带解堵、前置酸压裂和压后返排过程中都可能会用到盐酸,另外,气体相对于原油更容易在在多孔介质中流动,致密砂岩气藏物性稍微的改善就会对气体渗流带来积极的响应,因此有必要从微观孔喉结构角度考察盐酸处理后储层物性的改变。本文选取鄂尔多斯盆地苏里格气田盒8储层岩样,利用核磁共振和CT扫描等手段对盐酸处理前后岩心的微观孔喉分布进行分析,揭示了致密砂岩气藏盐酸处理对微观物性改变的机理。

1 实验材料及实验步骤

由于砂岩中除了含有白云石、方解石等碳酸盐矿物,还含有一定量的长石类的硅酸盐矿物,包括钾长石、钠长石和钙长石。这些矿物成分在酸性条件下易发生溶蚀反应[20]。另外,有研究表明,砂岩中的伊利石和绿泥石等黏土矿物在温度达到65 ℃以上时便可以和盐酸发生反应[21-22]。针对此,开展的实验内容包括岩样酸化前后的核磁共振测试、CT扫描、矿物成分分析以及扫描电镜,进而分析致密砂岩注盐酸对储层物性的改善机理。

1.1 实验样品和设备

岩心样品取自苏里格气田绥平1井盒8储层,岩心尺寸和物性参数见表1。酸液采用12%的盐酸溶液。测试岩样微观孔喉分布的设备包括MiniMR-HTHP型核磁共振仪、Xradia 510 Versa型岩心CT扫描测试仪和ProeMaster 33型全自动高压压汞仪。

表1 盐酸酸化岩心样品参数Tab.1 Parameters of cores for hydrochloric acid acidification

1.2 实验步骤

(1)岩样烘干,采用覆压孔渗仪测试渗透率和孔隙度,采用X衍射对岩心进行黏土和矿物成分测试;

(2)采用核磁共振、扫描电镜、CT扫描等手段对岩样进行测试和扫描,获得岩样原始的微观孔喉分布;

(3)岩样烘干,抽真空饱和12%的盐酸溶液;

(4)饱和酸液后的岩心浸泡于12%的盐酸溶液中,温度80 ℃,压力25 MPa,浸泡时间24 h;

(5)采用核磁共振、扫描电镜、CT扫描等手段,对酸液浸泡后的岩心进行测试和扫描,分析酸液浸泡前后岩心的微观孔喉结构变化,采用X衍射对岩心进行黏土和矿物成分测试,测试岩心的渗透率和孔隙度。

2 实验结果与分析

(1)核磁共振测试结果

由于核磁共振T2谱表示的是不同孔隙内流体的横向弛豫时间T2的分布。为了分析酸化前后岩心孔喉半径分布的变化,需要将横向弛豫时间T2转化为孔隙半径,即需要确定横向弛豫时间T2和孔隙半径r的转换系数C。为此,通过高压压汞测试求得岩心的孔喉半径分布曲线,再对比核磁共振T2谱分布曲线,便可确定转换系数C。

由1#岩心压汞测试的孔隙半径分布(图1)和核磁共振测试的T2谱分布(图2)对比可知,对于绥平1井岩心的孔隙半径r和横向弛豫时间T2之间的转换系数C=0.4/58.73=0.006 8,即

r=0.006 8×T2。

(1)

式中,r为孔隙半径,μm;T2为横向弛豫时间,ms。

图1 1#岩心压汞测试的孔隙半径分布Fig.1 Pore size distribution of 1# core obtained by mercury injection test

图2 1#岩心核磁共振测试的T2谱分布Fig.2 Pore size distribution of 1# core obtained by nuclear magnetic resonance test

根据计算出的孔隙半径r和横向弛豫时间T2之间的转换系数,将岩心酸化处理前后的核磁共振T2谱曲线转换成孔隙半径分布曲线,见图3—图5。借鉴基于T2谱的孔径大小分类方法[23],可以按照T2的大小将孔隙分成四类,分别是微孔(T2<1 ms)、小孔(1 ms100 ms)。根据孔隙半径r和横向弛豫时间T2之间的转换系数,对应的用孔隙半径表示的四类孔隙是微孔(r<0.006 8 μm)、小孔(0.006 8 μm 0.68 μm)。

图3 1#岩心注盐酸前后孔隙半径分布Fig.3 Pore size distributions of 1# core before and after hydrochloric acid injection

图4 2#岩心注盐酸前后孔隙半径分布Fig.4 Pore size distribution of 2# core before and after hydrochloric acid injection

图5 3#岩心注盐酸前后孔隙半径分布Fig.5 Pore size distribution of 3# core before and after hydrochloric acid injection

由岩心注盐酸前后的孔隙半径分布(图3—图5)可以看出,相比于原始岩心的孔隙半径分布,3块岩心酸液浸泡后的孔隙半径分布产生了显著的变化,且3块岩心变化规律并不一致,1#和2#岩心酸液浸泡后岩心的孔隙半径分布整体向左偏移,说明峰值孔隙半径减小,且酸化后的孔径分布曲线左右两端相比于酸化前上升,使得孔径尺寸分布更加均匀。从四类孔隙的分布数值看(表2),1#和2#岩心酸化后的微孔和中孔的占比变化不大,小孔和大孔比例变化较大,以1#岩心为例,微孔增加了0.53%,中孔减少了1.34%,而小孔增加了8.71%,大孔减少了7.9%。2#岩心的孔径分布变化和1#岩心类似。虽然酸化后岩心的孔径分布整体左移,峰值孔隙半径减小,但岩心的孔径分布变得更加平缓,使得岩心内的孔喉连通性变好,进而使岩心的孔隙度和渗透率均有一定改善,其中1#岩心的孔隙度增加11.73%,渗透率增加36.81%,2#岩心的孔隙度增加24.96%,渗透率增加58.4%。对于3#岩心,由酸化前后的孔径分布曲线可以看出,酸化后孔径分布曲线右移,峰值孔隙半径增大,而且相对于岩心原始的孔径分布,除了部分小孔减少以外,微孔、中孔和大孔均增加。相比于1#和2#岩心,3#岩心酸化后的孔隙尺寸增加幅度更大,物性改善幅度也更大,孔隙度增加36.08%,渗透率增加63.64%。3块岩心酸化后渗透率的增加幅度远远大于孔隙度的增加幅度,这是因为酸液浸泡后,酸岩反应容易造成颗粒脱落且产生新的沉淀物,且未进行返排,反应物滞留在岩心内,造成孔隙度的增加幅度较小,但由于酸液溶蚀有效地增加了孔隙连通性,从而造成渗透率的增大幅度大于孔隙度。

表2 岩心注盐酸前后孔隙半径分布Tab.2 Pore size distribution of cores before and after hydrochloric acid injection

由岩心注盐酸前后的物性变化(表3)可以看出,3块岩心酸化后孔隙度和渗透率均增大,但3#岩心相比于1#和2#岩心物性增加幅度更大。由岩心注盐酸前后的矿物成分变化(表4)可以看出,1#和2#岩心中可以和盐酸反应的主要矿物有伊利石、伊/蒙间层和铁白云石,酸化后伊利石、伊/蒙间层和铁白云石含量均出现了不同程度的降低,酸化反应的同时也会造成矿物颗粒脱落和运移,进而又会堵塞孔喉,从而改变孔径分布,这也是造成岩心酸化前后孔径分布变化的主要原因。对于3#岩心,除了含有伊利石、伊/蒙间层和铁白云石外,还含有极易被盐酸溶蚀的方解石,另外,3#岩心的原始孔隙度和渗透率较低,从而造成酸化后的孔隙度和渗透率增大幅度更大。

表3 岩心注盐酸前后的物性变化Tab.3 Physical property change of cores before and after hydrochloric acid injection

表4 岩心注盐酸前后的矿物成分变化Tab.4 Mineral composition change of cores before and after hydrochloric acid injection

(2)扫描电镜结果

由岩心酸化前后的扫描电镜照片(图6,图7)可以看出,酸化前,岩心内呈现明显的丝缕状伊利石分布和粒间长石,酸化后丝缕状伊利石已经明显减少或不可见,而且明显增加了自生高岭石。这和表4中反映的酸化后伊利石减少高岭石增多是一致的。可见,岩心浸泡盐酸后,盐酸溶蚀伊利石后可以生成高岭石,在充分的Al3+物质来源的基础上,呈酸性的流体、较强的流体动力有利于Al3+的络合、Na+和K+的迁移,可以形成晶形良好的自生高岭石。

图6 岩心酸化前的矿物微观特征Fig.6 Micro characteristics of minerals before core acidification

图7 岩心盐酸酸化后的矿物微观特征Fig.7 Micro characteristics of minerals after core acidification

(3)CT扫描结果

图8 酸化前后的面孔率变化Fig.8 Area pore ratio change of core before and after acidification

为了避免驱替过程中酸液的突进造成酸岩反应不充分,实验中采用了岩心饱和酸液并浸泡的方法,这样可以使盐酸和矿物充分反应。由图8可以看出,酸化后的样品沿Z轴方向界面的面孔率均有一定程度的增加,酸化前,岩心的面孔率分布在2.56%～10.04%,平均面孔率4.72%。酸化后,岩心的面孔率分布在3.07%～11.23%,平均面孔率5.56%,增加幅度在17.8%。

基于最大球法,利用球棍模型对孔隙进行简化,并提取相应的孔隙参数。酸化前后的孔隙分布和连通孔隙分布见图9、图10和表5。

由CT扫描结果可以看出,岩心酸化后总孔隙和连通孔隙均有了明显的改善。酸化前,连通孔隙占到总孔隙的58%,连通孔隙度为2.74%。酸化后,连通孔隙占到总孔隙的80%,连通孔隙度为4.45%。

图9 盐酸酸化前后的孔隙分布Fig.9 Distribution of pores in core before and after acidification

图10 盐酸酸化前后的连通孔隙分布Fig.10 Distributions of connected pores in core before and after acidification

相比于酸化前,酸化后的总孔隙度增加了17.8%,但是连通孔隙度增加了62.4%。可见,针对致密砂岩盐酸酸化,虽然总孔隙度的改善幅度不大,但可以较大幅度改善连通孔隙度,从而较大幅度改善渗透率。

3 结 论

(1)盐酸在储层条件下可以溶蚀砂岩中的伊利石、伊/蒙间层、方解石和白云石等矿物,酸液溶蚀后岩心的孔隙度和渗透率均有一定程度增加,由于颗粒运移和新的沉淀物的产生滞留在大孔隙中,使得小孔隙增多,从而孔隙度的增大幅度小于渗透率的增大幅度,孔隙度的增大幅度为11.73%～36.08%,渗透率的增加幅度为36.81%～63.64%。

表5 酸化前后各类孔隙变化Tab.5 Variation of various pores in core before and after acidizing

(2)岩心中的矿物成分对酸化后的储层物性改善程度影响较大,盐酸溶蚀丝缕状伊利石生成高岭石,方解石和白云石等碳酸盐岩矿物含量越高,盐酸酸化后的物性改善效果越好。

(3)致密砂岩经过盐酸处理后,孔径分布发生明显改变,虽然酸化后微孔和小孔数量增多,但可以较大幅度改善连通孔隙度,从而较大幅度改善渗透率。