地吴起油田寨子河地区长6油层为例
师俊峰;师永民;高超利;赵晔;王哲麟
【摘 要】致密砂岩储层孔喉结构复杂、比表面积大,岩石颗粒表面附着大量的黏土矿物,容易受到外来流体的影响,发生颗粒膨胀、迁移、离子沉淀等反应伤害储层,从而影响生产效率.本文以鄂尔多斯盆地吴起油田寨子河地区延长组6段油层为例,通过岩石薄片观察、扫描电镜、X射线衍射仪(X-RD)实验、压汞实验和储层敏感性实验等方法,对研究区储层物性、孔喉结构、黏土矿物特征和储层敏感性类型、伤害程度及敏感性影响因素进行分析.岩心分析实验表明,储层黏土矿物由绿泥石、高岭石、伊利石和伊蒙混层4种矿物组成,影响储层渗透性的敏感性伤害强弱依次为酸敏、水敏、碱敏、盐敏和速敏.并结合实际生产中存在的问题,提出绿泥石富集区域尽量避免储层酸化等改造措施;对伊利石及伊蒙混层含量高、易水敏的地区,压裂改造过程需要提高压裂液砂比,减小压裂液量,从而降低储层损害. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2018(018)020 【总页数】8页(P88-95)
【关键词】鄂尔多斯盆地;吴起地区;致密砂岩储层;黏土矿物;储层敏感性 【作 者】师俊峰;师永民;高超利;赵晔;王哲麟
【作者单位】北京大学地球与空间学院;石油与天然气研究中心,北京100871;北京大学地球与空间学院;石油与天然气研究中心,北京100871;延长油田股份有限公司
吴起采油厂,延安 717600;北京大学地球与空间学院;石油与天然气研究中心,北京100871;北京大学地球与空间学院;石油与天然气研究中心,北京100871 【正文语种】中 文 【中图分类】TE258
油田开发实践表明，储层敏感性伤害是影响油田开发的重要因素。国内外诸多学者针对储层敏感性进行了大量的分析研究，表明注入流体、黏土矿物种类和含量、储层物性等与储层敏感性程度有很大关系[1—5]。其中，黏土矿物是引起油气层损害的最主要因素[6—8]，黏土矿物的成分、含量和产状是决定储层敏感性的主要因素[9]。黏土矿物中，伊利石和伊蒙混层属于膨胀型矿物，损害机理为吸水膨胀、堵塞狭小喉道，降低储层渗透率；高岭石和绿泥石则属于非膨胀型矿物，其损害机理为颗粒运移、重新聚集，堵塞狭小喉道，降低储层渗透率[10]。目前，众多学者在储层敏感性方面做了大量的研究，陈忠等[11]、孙建孟等[12]、康毅力等[13]、赵杏媛等[14]及张关龙等[15]在储层敏感性与黏土矿物关系方向进行了大量的研究探索；Li等[16]、成赛男等[17]和马世忠等[18]在研究储层特征的基础上，分析了储层敏感性的影响因素，对储层敏感性进行综合评价，并制定了相应的储层保护措施。 针对寨子河地区试验井组酸化压裂措施差，生产不见效的现状，本文按照储层敏感性实验标准对该区储层敏感性伤害特征进行研究。认为研究区内储层黏土矿物含量高，酸敏性非膨胀型矿物绿泥石含量最为突出，是造成酸化措施不受效的主要因素。 通过岩心描述、薄片观察、扫描电镜、X射线衍射仪(X-RD)测试、压汞实验和敏感性实验等方法，综合分析储层物性、孔喉结构和黏土矿物成分、类型、形态等特征，结合储层敏感性实验结果确定研究区储层敏感性伤害程度，为鄂尔多斯盆地低渗-特低渗透储层保护提供有效的参考。
1 储层基本特征
研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡(陕北斜坡)中西部，构造特征与区域构造背景一致，整体呈倾角约为1°的西倾单斜构造，区内断裂不发育，受古地貌控制，经差异压实和构造应力等作用，局部发育小型鼻状隆起，同时受上倾方向的岩性和构造控制，为油气提供了良好的储集成藏条件。 1.1 储层岩石学特征
岩心描述、薄片观察、扫描电镜表明研究区储层岩石类型以石英长石砂岩为主，黏土矿物含量高，孔隙中偶见星点状分布的自生黄铁矿晶体。长石含量为57%～72%，石英含量为10%～34%，岩屑部分约为7%～18%。充填物多以泥质和方解石为主，少量白云石，自生高岭石分布粒间，石英、长石可见次生加大现象。铸体薄片观察(图1)颗粒分选较好，磨圆度多次棱角，呈点-线接触关系，胶结程度中等-好，胶结物主要为方解石。
图1 储层岩心微观典型特征Fig.1 Microscopic typical characteristics of reservoir cores 1.2 储层物性特征
常规孔渗测试实验结果(表1)表明：研究区储层物性差，孔隙度介于9.6%～14.0%之间，平均值为12.1%；渗透率介于0.59～1.54 mD，平均渗透率 0.95 mD，属低孔-特低渗透储层。 1.3 储层孔喉特征
致密砂岩储层内部孔喉结构复杂，孔径分布范围广，微、纳米级孔隙共存。高压压汞曲线形态整体呈现喉道细小的特征(图2)。研究区排驱压力介于0.3～1.0 MPa，孔喉半径分布在0.01～2.50 μm，平均0.37 μm，孔隙主要以微孔为主(表2)。压汞排驱压力与储层渗透率存在一定的负相关关系，喉道半径与储层渗透率具有良好的正相关关系。
表1 储层物性参数Table 1 Reservoir physical properties data井号样号层位深度/m密度/(g·cm-3)孔隙度/%岩样渗透率/mD27-31-21长61 9912.3312.61.5427-25-54长61 9872.3014.00.7123-57-37长61 9952.439.60.59 平均值2.3512.10.95
图2 高压压汞测试储层岩心毛细管压力曲线和孔喉半径分布Fig.2 Capillary-pressure curve and the corresponding pore throat radius distribution performed by pressure-controlled porosimetry
表2 储层岩心高压压汞实验参数Table 2 Experiment results of pressure-controlled porosimetry样品号渗透率/mD排驱压力/MPa中值压力/MPa中值半径/μm平均孔喉半径/μm最大进汞饱和度/%退汞饱和度/%退汞效率/%23-57-30.591.0013.660.050.2084.7360.6028.4827-31-21.540.301.220.600.6998.9664.9534.3727-25-50.711.004.870.150.2089.9262.4530.55平均值0.950.776.580.270.3791.2062.6731.13 2 黏土矿物特征
黏土矿物很大程度上能够引起储层敏感性，储层敏感性的类型及程度主要受黏土矿物的类型、数量、产状及结构等特征所决定[19]。 2.1 黏土矿物类型和含量
储层黏土矿物含量分析实验在先烘干、饱和乙二醇和550 ℃下加热2.5 h的条件下进行，依据SY/T 5163—2010行业标准，对研究区3块样品进行了X射线衍射分析实验，分析结果见表3。
表3 黏土矿物绝对与相对含量Table 3 Absolute and relative content of clay minerals井号全矿物分析/%石英钾长石斜长石方解石白云石黏土总量/%黏土矿物相对含量/%IKCI/S27-31-234.57.530.76.92.517.9132755527-25-
525.38.533.018.4014.82424361623-57-336.93.232.08.3019.62682244 注：I为伊利石；K为高岭石；C为绿泥石；I/S为伊蒙混层。
研究区黏土矿物主要由绿泥石、高岭石、伊利石和伊蒙混层4种矿物组成，多为黑云母和长石的蚀变产物，自生黏土矿物含量不高。绿泥石含量最为突出，平均相对含量高达39.0%，伊利石和高岭石次之，相对含量分别为21.7%和18.0%，伊蒙混层相对含量最低，约为14.8%。同时黏土矿物绝对含量高，介于11.9%～21.0%，平均为17.2%。根据如表4所示的储层黏土矿物含量评价表(据文献[20，21]，有修改)可判断研究区储层属于高黏土矿物储层。 2.2 黏土矿物分布特征
研究区黏土矿物以绿泥石为主，扫描电镜观察绿泥石大量发育在骨架颗粒表面，以单体形态呈薄六角板状或叶片状等，集合体形态呈叶片组成的蜂窝状、绒球状、玫瑰花状、针叶状和叠片状等形态[图3(a)]充填储层粒间孔，且可观察到绿泥石晶片间存在微小孔隙；伊利石以丝状、片丝状分布于储层颗粒之间填充孔隙，在孔隙形成“筛网状”细小孔喉[图3(b)]；高岭石单体形态呈六方板形状，集合体形态呈书页状、蠕虫状等[图3(c)]；伊蒙混层呈连续片状或蜂窝状充填在骨架颗粒之间[图3(d)]，紧密填充颗粒间孔隙空间。
表4 储层黏土矿物含量评价Table 4 Reservoir clay mineral content evaluation序号黏土矿物含量/%储层黏土矿物特征评价1<5低黏土矿物储层210～15中黏土矿物储层3>15高黏土矿物储层
图3 储层黏土矿物形态及分布特征Fig.3 Reservoir clay mineral morphology and distribution
3 储层敏感性分析
储层敏感性是储层与外来流体发生各种物理或化学作用而使储层孔隙结构和渗流发
生改变的性质，由储层本身的岩性、物性、油气水性质、储层中的敏感性矿物及外来流体的性质等所决定[22]，主要包括速度敏感性、水敏感性、盐敏感性、碱敏感性和酸敏感性。
敏感性矿物中黏土矿物是造成储层损害的一个重要因素，研究区黏土矿物绝对含量高，以绿泥石为主，占黏土矿物总量的39.0%，很大程度制约开发效果。 通过岩心敏感性实验，结合《储层敏感性流动实验评价方法》行业标准[23]，依据如表5所示的敏感性程度评价指标对储层敏感性伤害程度分别做出具体评价。 表5 储层敏感性程度评价指标Table 5 Evaluation index of reservoir sensitivity损害程度/%≤55～3030～5050～70≥70损害评价无弱中等偏弱中等偏强强 3.1 水敏
水敏是指当与地层不匹配的外来流体进入储层后，引起储层内黏土矿物膨胀、分散、运移，从而导致渗透率不同程度的下降[24]。
储层中水敏矿物主要是蒙脱石，其膨胀性和层间阳离子种类有关。研究区膨胀性最强的水敏矿物是伊蒙混层，其绝对含量介于0.89%～8.62%，绝对含量平均值为2.64%。当注入水矿化度远小于地层水矿化度时，伊蒙混层会产生不同程度的水化膨胀，并分散和运移，使储层中孔喉变小甚至完全堵塞孔喉，其他黏土矿物也会因高离子浓度差而发生置换运移，从而降低储层渗透率。
水敏实验在模拟地层温度压力且控制流速低于临界流速条件下，先用矿化度为80 000 mg/L的标准盐水流过岩心，其次用次标准盐水(矿化度40 000 mg/L)流过岩心，最后用蒸馏水(矿化度0)驱替岩心，分别测定不同矿化度下岩心渗透率(表6)，分析储层的水敏损害程度。
实验结果说明：储层岩心渗透率随着注入水矿化度的降低而下降，储层水敏指数介于36.2%～45.6%之间，属于中等偏弱水敏。因此，在压裂改造施工时需要适当提高砂比，减小压裂液量，从而降低储层损害，同时控制注入水矿化度便可有效降
低因黏土矿物水化膨胀产生储层水敏性损害，从而有效保护储层。
表6 水敏试验报告Table 6 Reservoir water sensitivity test report井号岩样渗透率/mD不同矿化度下水测渗透率/mD标准盐水次标准盐水蒸馏水水敏指数/%水敏程度27-31-21.4950.7150.6540.45636.2中等偏弱27-25-50.8250.1810.1580.11437.0中等偏弱23-57-30.5010.1250.1060.06845.6中等偏弱
注：标准盐水矿化度为80 000 mg/L。 3.2 盐敏
储层中的黏土矿物置于系列盐溶液环境中时，由于水化及阳离子交换作用使层状结构受到影响，导致黏土矿物分散、运移或膨胀，从而降低了储层的渗透率，这个现象称为盐敏感性，通常将储集层开始产生敏感的最大盐度称作盐敏的临界盐度。 盐敏实验在模拟地层条件下，分别用矿化度为80 000、60 000、40 000、20 000 mg/L和蒸馏水的顺序注入岩心，测定不同矿化度下岩心渗透率(表7)，分析储层的盐敏损害程度。总体看，盐敏指数介于16.9%～25.4%，敏感程度为弱盐敏感，临界矿化度40 000 mg/L。因此，在开发过程中，盐度变化对储层渗透率伤害较低，合理控制工作液和注入水盐度即可有效降低储层盐敏损害。 表7 盐敏试验报告Table 7 Reservoir salt sensitivity test report井号岩样渗透率/mD不同盐度下水测渗透率/mD86420最大损害/%盐敏程度27-31-21.520.4580.4250.3980.3410.27516.9弱27-25-50.8250.1820.1720.1590.1360.11325.4弱23-57-30.5920.1010.0970.0880.0710.05319.4弱 注：标准盐水矿化度为80 000 mg/L。 3.3 速敏
速敏是指在生产作业过程中储层中各种微粒因流体流动速度增加引起的颗粒运移，
并堵塞孔道而造成储层渗透率下降的可能性及其程度。
速敏实验在采用模拟地层水的条件下，分别以0.1、0.25、1.5、0.75、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0 mL/min的驱替速度测定渗透率。当23-57-3井岩心驱替速度达0.75 mL/min、27-31-2井岩心驱替速度达4.0 mL/min，岩心压差超过3 MPa/cm停止试验。实验结果数据和曲线图分别见表8和图4。从速敏实验曲线(图4)可知，27-25-5井岩心气测渗透率随驱替速度整体呈上升趋势,当驱替速度达4.0 mL/min时，渗透率开始下降，尚未发现明显速敏损害；27-31-2井与23-57-3井驱替速度与岩心气体渗透率呈负相关性，流速增大，气体渗透率降低，且渗透率减小速度呈先急后缓的趋势。
储层中速敏性黏土矿物主要为高岭石和丝状伊利石[25]。其中伊利石多呈纤维状、针状等向孔隙空间内部延伸，长度一般小于10 μm，宽度小于1 μm[26]，在驱替速度和压力梯度大的情况下容易发生断裂，形成更细小的微粒，因此容易堵塞孔喉，产生储层速敏反应。
图4 速敏实验曲线Fig.4 Reservoir sensitivity test curve
研究区黏土矿物绝对含量平均值17.18%，其中伊利石和高岭石相对含量相当，分别为27.75%和18.00%，认为较低含量的伊利石和高岭石是影响储层速敏特征不明显的主要因素。
储层速度敏感性实验为油田实际开发过程提供比较可靠的采出和注入速度，尤其是在注水开发过程中合理控制注水井的注水速度，尽量减小由于注水速度过大产生的储层损害。 3.4 酸敏
储层酸敏性是指酸化液进入地层后与其中的酸敏矿物或原油发生化学反应，释放出细小的颗粒或产生一些沉淀使地层的渗透率下降的现象。
酸化作业是基于多数岩石与酸反应后不生成沉淀，反而能够改善储层孔喉结构和渗
透性的原理。储层中绿泥石遇酸后，发生膨胀运移，生成的氢氧化铁胶体沉淀会堵塞孔喉，降低储层渗透率，对低渗-特低渗储层伤害尤其严重[27]。
酸敏实验以12% HCl和3% HF混合而成作为实验用酸，酸处理后分别测定渗透率(表9)，测试结果表明：酸处理前后岩心渗透率变化明显，酸敏指数分别为25.6%、21.6%和39.2%，对应酸敏感程度呈现中等-强酸敏感性。
绿泥石是一种特殊的含水层状铝硅酸盐矿物，极易在酸作用下发生化学反应，生成沉淀，造成储层的酸敏性伤害[28]。研究区储层黏土矿物分析表明，黏土矿物平均绝对含量为17.18%，其中绿泥石平均相对含量高达39.4%，分析特高含量的绿泥石是产生中等-强酸敏的主要原因。因此，在储层改造和油田开发过程中应谨慎选择酸化措施，尽量减少酸性离子进入地层损害储层而降低产能，以保护油层有效开发。 3.5 碱敏
碱敏性是指具有碱性(pH>7)的油田工作液进入储层，与储层岩石或储集层流体接触后反应生成不溶物，造成储层渗透率降低的现象。碱敏性评价实验可以了解储层与不同pH溶液接触作用下岩石渗透率的变化过程，找出碱敏感性损害发生的条件(临界pH)以及由碱敏感性引起的储层损害程度，为各种入井工作液pH的确定提供依据[29]。
在pH分别为6.8、8.5、10、11.5、13的条件下测试渗透率碱敏损害实验(表10)，结果表明：随着pH增加岩心的渗透率持续下降，当pH为11.5左右时，岩心渗透率损害变化率最大，储层的碱敏指数介于20.9%～24.7%，临界pH为11.5，属于弱碱敏性。
储层黏土矿物大多都能与碱液发生反应，形成水敏性矿物或直接生成沉淀物质堵塞孔隙，因此黏土矿物的含量是碱敏性的决定因素。当碱液进入储层后与黏土矿物发生离子交换产生易水化黏土矿物，加剧储层中黏土矿物水化膨胀速度，从而降低渗
透率，形成弱的储层碱敏感性。高岭石是造成研究区碱敏损害的主要黏土矿物，其绝对含量为1.6%～4.8%，相对含量8%～27%。
表8 速敏试验报告Table 8 Reservoir speed sensitivity test report井号渗透率/mD驱替速度/(mL·min-1)0.10.250.50.751.01.52.03.04.05.027-25-53.8901.4901.5001.5241.5401.5501.5611.5791.5731.5901.57023-57-30.4220.0930.0880.087-------27-31-21.3500.2850.2830.2790.2730.2660.2620.2590.254-- 注：注入水矿化度为80 000 mg/L。
表9 酸敏试验报告Table 9 Reservoir acid sensitivity test report井号渗透率/mD地层水渗透率/mD酸前渗透率酸后渗透率酸敏指数/%酸敏程度27-31-22.550.6150.37439.2强27-25-50.6680.1680.12525.6中等偏强23-57-30.5430.1250.09821.6中等偏强
注：注入1倍孔隙体积土酸(12% HCl+3% HF)，浸泡1 h。
表10 碱敏试验报告Table 10 Reservoir alkaline test report井号渗透率/mD不同pH碱液渗透率/mD6.88.51011.513碱敏指数碱敏程度27-31-21.6500.5560.5240.4980.4750.43422.0弱27-25-50.6780.2230.2120.1990.1850.16824.7弱23-57-30.5920.1870.1800.1720.1610.14820.9弱 4 结论与建议
(1)储层黏土矿物含量高，孔隙度介于9.6%～14.0%，平均孔隙度为12.1%，平均渗透率 0.95 mD，属低孔-特低渗储层。
(2)黏土矿物由绿泥石、高岭石、伊利石和伊蒙混层4种矿物组成，黏土矿物绝对含量平均为16.7%，属于高含量黏土矿物储层。四者中绿泥石含量最为突出，其平均相对含量达47%，伊利石和高岭石次之，相对含量分别为21.7%和19.2%，
伊蒙混层相对含量最低，约为12%。黏土矿物主要以薄膜状、片状和搭桥状形态分布与储层骨架颗粒之间。
(3)储层具有中等偏弱水敏、弱盐敏、无-弱速敏、弱碱敏和中等-强酸敏感性。强的酸敏感性迫使在油田生产和施工中应谨慎选择酸化措施。 参考文献
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