致密砂岩储层敏感性评价及影响因素分析——以鄂尔多斯盆地盐池地区长 8 储层为例

柴光胜1,2 师永民1,2,† 杜书恒3 魏云4 张志强1,2 郭春安1,2 孙彤1,2

1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871; 3.中国科学院力学研究所, 北京 100190; 4.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院, 克拉玛依 834000; †通信作者, E-mail: sym@vip.163.com

摘要以鄂尔多斯盆地盐池地区长8储层为例, 利用薄片鉴定、X射线衍射、高压压汞和岩芯流体驱替实验等手段, 对储层的敏感性开展定量评价, 并深入剖析其影响因素。结果表明, 鄂尔多斯盆地盐池地区长8致密砂岩储层的敏感性主要表现为中等偏强水敏、弱‒中等偏弱酸敏、弱‒中等偏弱碱敏和弱盐敏特征。储层的敏感性特征受黏土矿物成分、岩石矿物学特征、孔隙结构和物性影响, 其中黏土矿物的含量和组成是主要影响因素, 实际开发过程中应予以高度重视。研究结论可为致密砂岩油藏开发中后期提高采收率提供重要的科学依据。

关键词 致密砂岩储层; 敏感性; 鄂尔多斯盆地; 盐池地区; 长8储层

致密储层指基质渗透率小于 0.1×10−3μm2, 其中所含油气运移距离较短, 需进行大规模储层压裂改造才能开采的储层[1‒5]。作为致密储层的典型代表, 鄂尔多斯盆地延长组长 8 段致密储层的勘探开发近年来引起广泛关注[6‒9], 其储层敏感性评价作为储层表征、储层保护及地层损害评价的重要内容, 对致密储层的高效开发具有重要的指导意义[10‒13]。区别于常规储层, 致密储层由于具有低孔低渗的特点, 如果开发措施不当, 更易发生储层损害[14‒19], 因此敏感性评价对高效开发该类油藏具有重要的现实意义。

储层敏感性评价实验研究比较成熟, 多在储层岩石矿物学、储层物性和孔隙结构等的研究的基础上开展岩芯流体驱替实验, 进行储层的敏感性评价。Afshin 等[20]采用控制变量的方法, 研究不同物性条件下储层对相同低矿化度注入水的响应。Song等[21]通过驱替实验, 模拟研究低于地层饱和压力时气液两相的渗流规律, 并分析不同压力下盐析现象引起的储层堵塞程度。Han 等[22]使用 X 射线衍射和扫描电子显微镜等方法, 详细测定储层中各酸敏矿物的含量, 并分析储层中酸敏异常的主要控制因素。

前人对鄂尔多斯盆地致密储层的敏感性评价问题进行了大量的研究, 涉及不同的层位和区域。王玉霞等[23]选取鄂尔多斯盆延长组长 4+5 致密储层的样品, 开展天然岩芯驱替实验, 得出矿物组成及孔喉结构是研究区致密储层敏感性主控因素的结论。师俊峰等[24]以吴起油田寨子河地区延长组 6 段油层为例, 在储层敏感性评价的基础上, 分析黏土矿物对致密储层敏感性的影响程度。杨孝等[25]研究鄂尔多斯盆地长 7 段的应力敏感性, 发现岩石骨架的颗粒组分、颗粒粒径、填隙物和孔隙结构等都对储层敏感性有影响。何永宏[26]研究鄂尔多斯盆地姬塬油田长 8 储层, 发现成岩相带的分布是影响储层敏感性的主要因素。

虽然前人已经开展大量工作, 但由于鄂尔多斯盆地较为辽阔, 不同地区和层位储层的敏感性存在一定程度的差异, 给油气勘探开发带来困扰, 因此对新地区的储层敏感性开展研究依然具有必要性。

本文以鄂尔多斯盆地盐池地区长 8 储层为例, 通过扫描电子显微镜分析、岩芯样品鉴定、X射线衍射分析及岩芯流体驱替实验等方法, 对该致密储层进行敏感性评价, 并分析其影响因素, 以期为鄂尔多斯盆地致密储层以及同类油藏的有效开发提供科学依据。

1 地质背景

选取鄂尔多斯盆地盐池西油田为研究区(图 1), 目的层段为三叠系延长组长 8 储层。盐池西油田位于盆地西部天环拗陷的东端, 紧邻西缘逆冲断裂带[27‒29]。中生代延长组发育较厚的河流‒三角洲‒湖泊相沉积, 水下分流河道砂体为该地区的骨架砂体[30‒34], 其沉积物的粒度为中等, 岩性以中细砂岩和细砂岩为主。砂体呈层状, 分布稳定, 多含夹隔层, 常发育卷曲构造、平行层理和交错层理[35‒37], 埋藏深(2500~2700m), 岩性致密, 为典型的非常规致密油藏, 是近年来勘探开发的重点层位之一。

2 致密储层敏感程度测定

为研究盐池地区长 8 致密砂岩储层的敏感性, 本研究采用岩芯流体驱替方法, 对 20 余件样品进行敏感性测定。依据行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》(表 1), 评价储层的敏感性等级。

2.1 水敏指数测定

水敏感性指外来流体进入储层后, 与黏土矿物发生反应, 引起黏土矿物膨胀、分散并运移, 使得渗流通道发生变化, 导致岩石渗透率发生变化的现象[39]。本次水敏实验模拟地层压力为 60MPa, 流动介质为地层水(35.0g/L 的标准盐水溶液)、二分之一矿化度地层水(17.5g/L 的标准盐水溶液)和蒸馏水, 实验结果见表 2。盐池西油田长 8储层的水敏指数主要介于 23.4~84.3 之间, 平均值为 50.68, 根据水敏感性评价标准, 水敏程度属于中等偏强。因此, 在注水开发的过程中, 需要根据实际情况及开发效果, 适当地提高砂液比, 减少液量, 从而减小储层的水敏伤害。

2.2 酸敏指数测定

酸敏感性指外来的酸性溶液进入储层后, 与其中矿物及流体发生溶解反应或生成沉淀, 导致储层渗透率发生变化的现象。酸敏指数是样品酸化处理前后渗透率变化的百分比。本次实验选用 15%的HCl 进行酸敏感性评价, 地层水矿化度为 35.0g/L, 液体体积用模拟地层水正向驱替孔隙体积的 10~15倍, 并保持 pH 值不变, 测定岩样的水相渗透率, 实验结果如表 3 所示。研究区长 8 储层的酸敏指数在5.3~38.3 之间, 平均值为 19.56, 酸敏程度属于弱‒中等偏弱。因此, 在油气田开发过程中, 可适当添加酸化措施, 提高开发效果。

2.3 碱敏指数测定

碱敏感性指外来的碱性液体与储层中的矿物反应, 使其分散、脱落或生成新的沉淀或胶状物质, 堵塞孔隙喉道, 造成储层渗透率变化的现象[40]。碱敏感性评价实验的目的在于了解外来工作液对储层是否造成伤害及伤害程度, 找出碱敏感性发生的临界 pH 值, 为各类工作液的设计提供依据[41]。本次实验选用不同浓度的 NaOH 溶液进行碱敏感性评价, 地层水矿化度为 35.0g/L, 在 pH 分别为 7, 8.5, 10, 11.5 和 13 的条件下, 测试渗透率碱敏损害程度, 结果如表 4 所示。随着 pH 加大, 岩芯样品的渗透率持续下降, 当 pH 为 8.5 左右时, 岩芯渗透率损害变化率最大, 储层的碱敏指数介于 23.0~33.3 之间, 平均值为 29.24。碱敏感性的临界 pH 为 8.5, 碱敏程度属于弱‒中等偏弱。

2.4 盐敏程度测定

盐敏感性指矿化度不同于地层水的外来流体进入油藏储层后, 影响黏土矿物的层状结构, 使黏土矿物膨胀或分散、运移, 堵塞喉道, 进而造成储层渗透率下降的现象[17]。盐敏感性评价的目的是确定其发生的条件以及由其引起的储层损害程度。本次实验分别选用地层水、浓度为 17.5, 12.25和 7 g/L 的盐水溶液及蒸馏水, 测试储层渗透率盐敏损害程度, 结果如表 5 所示。研究区长 8 储层的盐敏感性较弱, 盐敏感性的临界盐度介于 12.25~17.50 g/L 之间, 变化幅度较小。因此, 在开发过程中, 盐度变化对储层渗透率伤害较低, 合理地控制工作液和注入水盐度即可有效地降低储层盐敏损害。

3 盐池地区长8储层敏感性影响因素

储层敏感性实验结果表明, 盐池地区长 8 致密砂岩油藏储层具有中等偏强水敏、弱‒中等偏弱酸敏、弱‒中等偏弱碱敏以及弱盐敏的特点。影响储层敏感性的因素很多, 包括岩石学特征、孔隙结构特征、物性特征和黏土矿物特征等, 其中黏土矿物的类型和含量是主要因素[40]。

3.1 岩石学特征

盐池地区长 8 储层以中细粒长石岩屑砂岩(图2)为主, 胶结物主要为硅质, 部分样品中也有钙质胶结胶结物, 填隙物较多, 颗粒多为棱角状和次棱角状, 部分矿物晶体因受力被挤压成长条形, 有一定的定向性, 成分成熟度和结构成熟度均属于中等。

样品的 X 射线衍射检测结果显示, 研究区长 8储层的矿物成分主要是石英和长石, 二者总含量约为 76.33%。石英平均含量为 54.83%, 钾长石平均含量为 4.67%, 斜长石平均含量为 16.83%, 方解石平均含量为 7.83%, 黏土矿物含量为21.83%。

按照 Basan 等[42]的评价标准, 当储层黏土矿物含量<5%时, 属于低黏土矿物储层; 当储层黏土矿物含量为 10%~15%时, 属于中黏土矿物储层; 当储层黏土矿物含量>15%时, 属于高黏土矿物储层。研究区长 8 储层的黏土矿物相对较高, 属于高黏土矿物储层, 在开发过程中容易因储层的敏感性而受到伤害, 导致开发效果下降。

3.2 孔隙结构特征

储层的孔隙结构特征指孔隙与喉道的几何形态、大小、分布及联通情况[17]。研究区长 8 储层孔隙类型以粒间孔隙、长石溶蚀孔隙(图 3(a))和微裂隙(图 3(b))为主, 岩石较致密, 空隙较少, 且联通性差(图 3(c)), 粒间孔隙较小, 孔径多在 10μm 以下, 孔隙内充填大量的黏土矿物、书页状高岭石和发丝状伊利石等。铸体薄片鉴定显示, 研究区长 8 储层颗粒间接触关系以点、线接触为主, 确喉道类型多为片状细喉道(图3(d))。

如表 6 所示, 通过压汞实验, 测得研究区长 8储层排驱压力在 1.21~2.24MPa 之间, 平均值为1.83MPa; 孔喉中值半径集中分布于 0.10~0.15μm之间(图 4), 平均值为 0.09μm, 分选系数在 1.55~ 2.32 之间, 平均值为 1.96。说明储层喉道较细且分选程度一般, 为细孔喉型。

综上所述, 研究区长 8 储层孔隙结构为细孔细喉型, 且孔隙多被充填, 喉道多为片状细喉道, 这种孔隙类型决定了在储层孔隙流体发生变动时, 孔喉极易被堵塞伤害, 影响渗透率。

3.3 物性特征

样品测试结果表明, 研究区长 8 储层的孔隙度和渗透率极小, 物性较差。孔隙度在 1%~8%之间, 平均值约为 5%; 渗透率在 0.01×10−3~0.17×10−3μm2之间, 平均值为 0.07×10−3μm2。如图 5 所示, 研究区长 8 储层的孔隙度与渗透率具有明显的正相关关系, 孔隙度控制着渗透率。因孔隙堵塞严重, 除水敏特征变化较大(因水敏矿物含量较大导致储层渗透率前后变化较大)外, 储层其余的敏感性特征的变化均较小。

3.4 黏土矿物特征

储层的黏土矿物特征是储层敏感程度的主控因素, 无论是水敏和盐敏, 还是酸敏和碱敏, 都直接受制于黏土矿物的组成和含量。盐池地区的黏土矿物以自生类型为主, 主要以杂基的方式充填于储层孔隙中。

X 射线衍射分析结果表明, 盐池地区长 8 储层黏土矿物含量为 14%~32%, 平均值为 21.83%。其中, 伊蒙混层黏土矿物含量较高, 为 41%~74%, 平均 50.67%; 伊蒙间层黏土矿物含量约为 32.5%; 高岭石含量为 0~54%, 平均 20.33%; 绿泥石含量为10%~29%, 平均 19.83%; 伊利石含量为 4%~16%, 平均9.17%。

蒙脱石、伊蒙混层以及绿蒙混层等黏土矿物是影响储层显现水敏感性的主要因素。伊蒙混层黏土矿物多呈半蜂窝状分布(图 6(a)), 堵塞孔隙, 影响储层的渗透率。根据黏土矿物组成, 可知造成该区储层水敏感性较强的主要原因是伊蒙混层黏土矿物的含量很高(50.67%), 当注入水的矿化度与地层水的矿化度不匹配时, 伊蒙混层黏土矿物会不同程度地吸水膨胀, 使储层孔喉变小, 甚至堵塞孔喉, 造成渗透率下降。

伊利石等黏土矿物的含量影响储层的盐敏感性。当储层流体矿化度的改变超过一定限度时, 除部分伊利石的微弱膨胀外, 颗粒间的发丝状伊利石也被溶解破坏, 发生扩散运移, 进而堵塞喉道, 降低渗透率。研究区内伊利石以发丝状和薄片状充填于储层孔隙中(图 6(b)), 含量相对较少(9.17%), 所以本地区储层的盐敏感性不明显。

影响储层酸敏感性的黏土矿物主要是绿泥石。由于绿泥石中含较多的铁离子和镁离子, 当酸性流体进入孔隙时会发生反应, 生成 Fe(OH)3 和 Mg(OH)2沉淀, 堵塞孔喉, 降低储层的孔隙度和渗透率。研究区的绿泥石主要呈针叶状(图 6(c)), 作为杂基充填于储层孔喉, 部分呈薄膜状附着于颗粒表面。由于研究区长 8 储层中绿泥石含量不多(占黏土矿物总含量的 19.83%), 所以该地区储层的酸敏感性不明显。

影响储层碱敏感性的黏土矿物主要是高岭石。在碱性流体环境中, 高岭石会发生溶解作用, 分散并运移, 溶解作用产生的物质又以胶体或颗粒的形式沉淀在孔喉部位, 对储层渗透率产生影响。研究区储层中高岭石主要以书页状集合体的形式充填于孔隙中(图 6(d)), 其含量仅占黏土矿物总含量的20.33%, 因此该地区储层的碱敏感性较弱。

4 结论

1)鄂尔多斯盆地盐池地区长 8 致密砂岩油藏储层的水敏指数为 50.68, 酸敏指数为 19.56, 碱敏指数为 29.24, 敏感性的临界盐度在 12.25~17.50g/L之间, 显示中等偏强水敏、弱‒中等偏弱酸敏、弱‒中等偏弱碱敏和弱盐敏特征。

2)影响储层敏感性的因素很多, 黏土矿物的类型和含量是主要因素。此外, 岩石学特征、孔隙结构特征和物性特征等因素也有一定的影响。

3)研究区储层的黏土矿物中, 伊蒙混层黏土矿物的含量最高, 达 50.67%, 直接导致储层中等偏强水敏的特征。储层中虽然也含其他黏土矿物, 但由于本地区储层渗透率极低, 导致其他敏感性不明显。

4)由于致密储层孔渗低和矿物组成复杂的特点, 更易发生储层敏感性伤害, 因此进行敏感性评价不仅可以为本地区油气开发提供依据, 而且对该类油藏的高效开发有重要意义。

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Sensitivity Evaluation and Influencing Factors Analysis of Tight Sandstone Reservoirs: A Case Study of the Chang-8 Reservoir in Yanchi Area of Ordos Basin

CHAI Guangsheng1,2, SHI Yongmin1,2,†, DU Shuheng3, WEI Yun4, ZHANG Zhiqiang1,2, GUO Chun’an1,2, SUN Tong1,2

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Oil and Gas Research Center, Peking University, Beijing 100871; 3. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190; 4. Experimental Testing Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay 834000; † Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com

Abstract Taking the Chang-8 reservoir in Yanchi area of Ordos Basin as an example, combined with thin slice identification, X-ray diffraction, high pressure mercury intrusion and core fluid flooding test, the reservoir sensitivity is quantitatively evaluated and its influencing factors are deeply analyzed. The results show that the sensitivity of the Chang-8 tight sandstone reservoir in Yanchi area of Ordos Basin is mainly characterized by moderately strong water sensitivity, weak-medium weak acid sensitivity, weak-moderate weak alkali sensitivity, and weak salt sensitivity. Reservoir sensitivity are mainly affected by clay mineral composition, rock mineralogical characteristics, pore structure and physical properties. The content and composition of clay minerals are the main factors, which should be highly valued in actual development. The research conclusions will provide important scientific support for enhanced oil recovery in the middle and late stages of the development of tight sandstone reservoirs.

Key words tight sandstone reservoirs; sensitivity; Ordos Basin; Yanchi area; Chang-8 reservoir