鄂爾多斯盆地中部上古生界盒8段儲層特征及敏感性分析

趙 航,羅騰躍,魏 虎,李 洲

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西西安 710075;2.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院,河南南陽 473000)

鄂爾多斯盆地是我國主要的含油氣盆地之一,上古生屆氣藏巖性較為致密,儲層物性差、非均質性強、滲流能力弱等問題嚴重制約了致密砂巖油氣藏長期穩產開發。盒8段作為蘇里格氣田主要的產氣層位之一,大部分井產氣效果并不理想。儲層敏感性是影響油氣田開發的主要因素之一[1],而研究區儲層致密,孔喉結構復雜,孔隙內部比表面積較大,顆粒表面有大量黏土礦物吸附,而黏土礦物是影響儲層敏感性的主要因素之一,大量學者研究認為,黏土礦物的含量、類型等均會對儲層敏感性造成影響,從而影響孔隙度和滲透率,降低采收率[2-4],因此,為了解研究區目的層段產氣差的原因,本文應用X衍射、全巖定量分析、薄片鑒定、水驅敏感性流動實驗等方法,開展儲層特征研究并進行敏感性實驗,明確儲層特征及其敏感性,為合理開發方式的選擇提供一定的借鑒[5-8]。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是一個古生代穩定沉降的多旋回克拉通盆地,包括六個二級構造單元,即伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶皺帶、伊陜斜坡、天環凹陷及西緣逆沖帶。三級構造以鼻狀構造為主,其中鄂爾多斯盆地中部區域是延安氣田主要生產區塊之一,位于伊陜斜坡南部,區內構造簡單,構造斷裂不發育。經過多期的構造運動,至晚石炭紀開始自下向上沉積了太原組、山西組、本溪組、石盒子組及石千峰等地層。本次研究的目的層段盒8段為上古生界主要的產氣層段之一,含氣性較好,發育一套辮狀河三角洲沉積體系,主要為辮狀河三角洲前緣亞相,砂體發育連續性較好,總體呈南北向展布。

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

分析研究區目的層段的取心井資料、薄片鑒定資料及其光學性質可知,盒8段巖石石英含量77.36%,長石含量0.26%,巖屑含量22.38%,膠結物含量2%～28%,其中膠結物含量遠大于雜基。膠結物主要為伊利石、高嶺石、硅質和鐵方解石,鐵白云石、菱鐵礦、磁鐵礦等(表1)。碳酸鹽類膠結物主要包括鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦等,其中鐵方解石相對含量較高,鐵白云石在盒8段含量相對較少。

表1 研究區盒8段填隙物組分及含量

根據?？藥r石分類法,盒8段巖石類型以巖屑砂巖為主,少數為巖屑石英砂巖、石英砂巖(圖1)。盒8段儲層砂巖以中-粗粒結構為主,顆粒分選以中等、中等-好為主。磨圓度主要為次棱、次圓-圓狀,巖石結構成熟度和成份成熟度中等。支撐結構主要為顆粒支撐,顆粒間以點線接觸為主,少數呈線、線-凹凸接觸。膠結類型以孔隙式膠結為主,含少量的壓嵌-薄膜式膠結,石英次生加大現象較為普遍。

圖1 盒8段砂巖碎屑百分含量

2.2 黏土礦物類型

通過研究區x射線衍射分析、全巖定量分析等資料統計分析,目的層段黏土礦物含量3.90%～37.80%,平均含量17.15%,黏土類型主要為伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石。其中伊蒙混層相對含量最大,最高可達79%,綠泥石、高嶺石次之,相對含量分別為14.80%和7.50%,伊利石含量最低,為1.54%(表2)。黏土礦物含量在盒8段自下而上逐漸增加。

2.3 儲層孔隙結構特征

對研究區薄片資料統計分析可知,盒8段砂巖儲層主要發育以下四種孔隙:原生粒間孔、次生溶孔、晶間孔和微裂隙。其中以次生溶孔和晶間孔為主,其次是原生粒間孔。盒8段孔隙度多分布在1.14%～13.68%,有效儲層平均孔隙度為6.82%,滲透率分布在0.012×10-3～46.900×10-3μm2,有效儲層平均滲透率0.55×10-3μm2,盒8段屬于低-特低孔、特低滲儲層(圖2)。由滲透率和孔隙度交會圖可知,孔隙度和滲透率具有良好的正相關性(圖3)。

圖2 研究區盒8段儲層孔隙度與滲透率分布頻率

圖3 孔隙度和滲透率交會

根據壓汞試驗統計分析,盒8段砂巖儲層排驅壓力范圍在0.03～98.18 MPa,平均4.27 MPa。最喉道直徑一般小于6 μm,中值孔喉半徑主要分布在 0.01～0.63 μm,平均0.03 μm,歪度系數分布在1.73～3.98,平均2.35。盒8段砂巖中值孔喉半徑和歪度系數分布范圍較大,表明該區上古生界主要儲層喉道分布不均勻(表3)。

表3 研究區盒8段壓汞參數統計

分選系數和均值系數可以反映孔喉分布的均勻程度,分選系數越小、均值系數越大,孔喉分布越均勻[9-10]。分析壓汞曲線形態特征可知,研究區盒8段砂巖儲層孔喉分布不均勻,孔喉連通情況較差?？傮w來看,該區上古生界盒8段儲層巖性致密,孔隙度低,以小孔為主,喉道半徑較小且分布不均勻,分選性較差(圖4)。

圖4 研究區上古生界盒8段壓汞曲線形態

3 儲層敏感性

儲層敏感性是指在油氣田勘探開發過程中,注入流體與儲層發生各種物理和化學反應,使儲層的孔隙度和滲透性發生變化,因此,需明確儲層的敏感性及其影響因素。儲層敏感性主要包括速敏、水敏、酸敏、鹽敏和堿敏。

3.1 速敏性

注入流體的速度改變滲透率的現象稱為速敏[11]。在進行敏感性實驗之前,應該先排除流體流動對儲層敏感性的影響因素,在室溫25 ℃時,用礦化度21 739.30 mg/L模擬地層水。在不同流速下進行速敏性實驗,確定臨界流速,為其他敏感性實驗消除速敏影響。研究區儲層速敏指數26.02%～34.96%,主要為中等偏弱速敏(表4),其中最大臨界流速為0.2 mL/min。因此,在注水開發過程中,注水速度不應超過最大臨界流速,以此保護儲層免受速敏傷害。

表4 研究區盒8段儲層速敏性實驗結果

表5 研究區盒8段儲層模擬地層水速敏性實驗結果

表6 研究區盒8段儲層鹽敏實驗評價

研究區速敏礦物主要為高嶺石(相對含量7.5%),伊利石(相對含量1.54%)。高嶺石和伊利石雖為非膨脹性的礦物,但是穩定性較弱,在流體的作用力下,易沿解理脫落,分散成鱗片狀的微粒,當微粒直徑大于孔喉直徑時,其分散運移時易發生“橋堵”,降低滲透率[12]。此外,高嶺石遇水脫落,容易使石英顆粒固結程度降低,也發生微粒脫落,降低滲透率。研究區的伊蒙混層的含量較高(83%),控制該區儲層速敏性。此外,目的層段的儲層巖性較為致密,黏土礦物多呈薄膜式產出,成巖固結程度較為緊實。在流體剪切力的作用下,不易脫落,雖含速敏性礦物,但是相對含量均不高,故儲層速敏性為中等偏弱-弱。

3.2 水敏

水敏是指黏土礦物遇水后產生膨脹、分散或絮凝等不穩定現象,導致儲層滲透率下降。黏土礦物中,蒙脫石、伊利石和伊蒙混層屬于膨脹型礦物,損害機理為吸水膨脹、堵塞狹小喉道,降低儲層滲透率。其中蒙脫石產生強水敏,其次是伊利石。研究區水敏礦物主要為伊蒙混層、伊利石等黏土礦物,掃描電鏡下呈不規則片狀,略有彎曲,呈粒表薄膜狀及粒間襯墊狀產出,相對含量最高,與研究區水敏評價結果相符合(圖5)。

a.伊蒙混層及少量伊利石等黏土礦物發育;b.層片狀礦物充填粒間,受擠壓變形,局部見伊利石、伊蒙混層等黏土礦物發育,見石英加大;c.巖性致密,孔隙發育差,殘余粒間孔為主,其次為顆粒內溶孔等溶蝕孔隙,見層狀晶間微裂縫,局部見大量伊利石、綠泥石、伊蒙混層等黏土礦物覆于粒表或充填孔隙;d.殘余粒間孔及少量粒內溶孔,見伊利石、高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物發育;e.伊利石、伊蒙混層等黏土礦物,呈粒表薄膜狀及粒間襯墊狀產出;f.巖性致密,孔隙發育差,局部見大量伊利石、伊蒙混層等黏土礦物覆于粒表或充填孔隙

根據敏感性評價標準可知,研究區盒8段的水敏指數為38.10%～67.16%,平均46.33%,屬中等偏強或強水敏。因此在后續油氣田開發過程中,可以在注入液中加入適量防膨劑,保護儲層,其次在儲層改造中 “適度控液增砂、降低傷害、提高液體返排”,優選低傷害壓裂液體系,提高砂比,從而提高單井產量。

3.3 鹽敏

鹽敏指含低礦化度的流體進入儲層之后,由于黏土礦物表面的離子濃度高于外來流體,外來流體的水被吸附到黏土表面,引起黏土之間的雙電層互斥,使黏土礦物體積增大導致儲層滲透率下降的現象[13]。

對于存在水敏的地層,當礦化度降低時會導致黏土礦物晶層擴張增大、膨脹分散和運移;當礦化度升高時,黏土礦物顆粒會收縮、脫落影響滲透率。因此,必須進行鹽敏實驗,以了解不同礦化度下滲透率變化情況,從而確定臨界礦化度。在0.02 mL/min和0.10 mL/min的流速下分別采用不同的礦化度進行鹽敏實驗,結果顯示鹽敏指數為31.65%～45.07%,平均36.94%,對照敏感性評價標準可知,研究區盒8段儲層為中等偏弱鹽敏,最大臨界礦化度為16.30 g/L。因此,建議油田注入液體的礦化度大于最大臨界礦化度16.30 g/L,以降低鹽敏損害、提高開發效率。

3.4 酸敏

酸敏指黏土礦物與酸性流體發生化學反應,溶蝕孔隙或生成沉淀堵塞喉道影響儲層滲透率。實驗室使用礦化度21.74 g/L的模擬地層水,在室溫25 ℃的條件下,用15%的HCl進行酸敏實驗,結果顯示,酸敏指數平均為16.88%,儲層表現為弱酸敏。

研究區的酸敏礦物主要為綠泥石與鐵方解石礦物等,一方面酸性流體與碳酸鹽膠結物發生溶蝕,增大溶蝕孔隙和喉道,使滲透率升高[14];另一方面與富鐵的綠泥石在pH為5～6時,發生反應,生成Fe(OH)3膠體,堵塞毛孔,傷害儲層。由表7可以看出,儲層顯示弱酸敏,經酸化處理后儲層的滲透率均有所下降,是因為儲層中發育綠泥石(14.80%)含量明顯大于鐵方解石(1.67%)等酸敏性對儲層有所改善的礦物含量,所以顯示為弱酸敏。其中樣品5中綠泥石含量(28.00%)遠大于樣品2中綠泥石的含量(4.00%),相較于樣品2,樣品5更容易受到酸液影響,酸敏指數結果符合預期。因此,在油氣開發過程中,謹慎選擇酸化作為儲層改造的手段。

表7 研究區盒8段儲層酸敏實驗報告

3.5 堿敏

在油氣田勘探開發過程中,大多數的工作液為堿性,在pH值高的溶液中,與黏土礦物、石英、長石等物質生成硅質沉積物,也會與Ca2+、Mg2+反應生成無法溶解的物質,這些物質會儲存于孔隙和喉道中,導致滲透率降低[17]。因此需進行堿敏實驗,確定臨界pH值,提前采取措施,預防工作液損害儲層。由研究區堿敏實驗結果可知,隨著pH值的不斷增大,滲透率下降,研究區儲層顯示弱堿敏,主體臨界pH值為10(表8)。研究區高嶺石和儲層中的硅質礦物是造成研究區堿敏損害的主要黏土礦物,且含量不高(14.18%),與堿敏性結果符合。

表8 研究區盒8段儲層堿敏實驗報告

3.6 其他敏感性因素分析

黏土礦物的類型、含量以及注入流體的性質在一定程度上影響儲層的敏感性,主要是因為不同的黏土礦物對于不同類型流體所發生的物理化學反應不同。研究區敏感性大部分較弱,因此也反應了儲層敏感性受多種因素的控制。通過繪制研究區孔隙度和敏感性關系圖,發現儲層的孔隙度特征與敏感性具有一定的相關性(圖6),儲層孔隙度越好,敏感性受到的影響越小,孔隙度差的儲層更容易受到外部流體的影響,主要是因為儲層孔隙度特征與孔喉結構存在一定的相關性,孔隙度較差的時候,孔喉結構也更復雜,當外部流體與其中黏土礦物發生反應時,即使黏土含量不多,也更容易顯現出來,使儲層遭受更大的損害,尤其是因黏土礦物的膨脹、脫落和運移時產生的敏感性,如水敏、速敏、鹽敏等,孔隙度越差,敏感性越強,這種規律就越明顯。但是并非所有孔隙度差的敏感性都強,如表6中,在同樣的流速下,樣品10的孔隙度小于樣品9的孔隙度,但樣品10的鹽敏指數卻小于樣品10的鹽敏指數,因此也反應出,儲層敏感性受多重因素控制。

圖6 儲層孔隙度與敏感性關系

4 結論

1)鄂爾多斯盆地中部盒8段巖石類型以巖屑砂巖為主,為低-特低孔、特低滲儲層,儲層物性特征相對較差,喉道半徑較小,孔隙以小孔為主,分選性較差。

2)敏感性實驗表明,鄂爾多斯盆地中部盒8段儲層具有弱-中等偏弱速敏、強-中等偏強水敏、弱酸敏、中等偏弱鹽敏、弱堿敏等特點。研究區受鹽敏、水敏影響的可能性較大,因此,在后續開發過程中應注意水敏、速敏和鹽敏對儲層的影響,在儲層改造中適度控液增砂,提高砂比,優選低傷害工作液,保護儲層,提高單井產量。

3)儲層的敏感性主要受儲層中黏土礦物類型和含量等因素的影響,儲層物性結構對敏感性也存在一定的負相關性,當儲層物性差時,敏感性增強。