瑪湖井區上烏爾禾組砂礫巖水敏傷害機理實驗研究

葉義平, 蔣慶平， 梁程， 熊千， 邱子剛， 李勝, 賈俊飛， 張會勇

(新疆油田公司勘探開發研究院， 克拉瑪依 834018)

近年來，中國探明石油地質儲量中致密油氣儲量所占比例越來越高，是上產的主要資源基礎[1-2]。隨著國內外石油的快速增長，油氣勘探開發對象日趨復雜，儲層品質越來越差，越來越多的致密油氣資源投入開發[3-5]。新疆油田瑪湖砂礫巖井區可開采石油儲量潛力大，但是其存在一定的工程問題。具體表現為油井連續生產能力差，并且壓力下降的快，沒有開發效益，月遞減率為40%～60%。在燜井階段，瑪湖1區塊壓降慢，返排過程中普遍出砂，并且具有較強的水敏傷害，目前對于水敏傷害程度及影響因素尚不清楚[6-9]。

在油氣藏開發過程中，由于眾多復雜因素(如外來流體的侵入、流體性質和流體狀態的改變以及地層壓力狀態的改變等等)的影響，會引起儲層孔隙度和滲透率的變化，不同程度損害油層產能，導致產量下降，即為儲層的敏感性[10-13]。在儲層開發的過程中，敏感性的損害對油氣開采起關鍵作用。早在1950年，國外的學者開始重視油氣儲層的傷害及保護方面的研究，初期進展緩慢。到了1970年以后，油氣藏傷害機理、理論及保護措施等方面獲得了系統的發展及認識。在1990年代，逐漸引入數字巖心的模擬方法來分析傷害微觀機制及影響因素，極大地促進了儲層傷害的研究進度。部分學者通過實驗發現，儲層的孔隙結構、礦物組成、潤濕性、物性等性質以及在流體作用下演化機制是影響儲層敏感性的關鍵[14-15]。

近幾年，致密油氣藏的開發過程中，大規模的壓裂液注入引起的水敏傷害逐漸引起國內外學者的廣泛關注，有的學者因此研發了新型的裝置用于評估流體對儲層物性的傷害程度。張路鋒等[16]對致密儲層進行人工預制裂縫，并對裂縫-孔隙結構中的水敏傷害進行了系統研究；馮強漢等[17]分析了凝析氣藏的傷害過程，通過壓力、體積、溫度(pressure, volume, temperature，PVT)相態實驗對凝結作用下的流體傷害機理進行分析。還有部分國外學者通過分析裂縫性碳酸鹽儲層中的欠平衡水敏傷害作用，研發了一種實驗設備來優化鉆井液[18-19]。通過對圍繞壓裂液的傷害開展了大量的研究，很多學者發現壓裂過程中會侵入儲層與儲層中黏土礦物發生反應，引起黏土膨脹、分散、運移[20-22]，流體滲流孔隙空間縮小，造成儲層滲透率降低，產生水敏傷害。

前人針對常規儲層、頁巖及致密儲層的傷害機理開展了大量的研究，然而圍繞砂礫巖儲層水敏傷害的研究較少?，敽畢^致密砂礫巖儲集層黏土礦物含量較高，且膨脹性黏土礦物含量高，水力壓裂后單井產量低，壓力快速衰減，極大地影響了瑪湖油氣資源的高效利用?，F針對瑪湖砂礫巖開展電鏡掃描實驗、黏土礦物X衍射實驗及潤濕角測量實驗等，明確砂礫巖儲層微觀結構及礦物組成特征；通過砂礫巖儲層水驅油水遷移規律，闡明儲層與壓裂液的相互作用機理，定量評價壓后巖心內部水敏的傷害程度。

1 實驗材料與步驟

1.1 實驗樣品及參數

選取瑪湖井區烏爾禾組致密儲層，并且在整個瑪湖區具有較強代表性的10塊巖心樣品開展室內實驗，巖心基本物性參數詳見表1。巖心深度為3 200～3 500 m，地層為上烏爾禾組。將樣品加工為直徑為2.5 cm，長度為3 cm的圓柱形樣品，開展物性測試及水敏實驗分析。通過物性分析可知，孔隙度為6.37%～16.24%，滲透率為0.09～0.28 mD，具有低孔、低滲的特點，為典型的致密儲層。

表1 巖心樣品參數Table 1 Core sample parameters

實驗中采用的流體應優先選擇地層水，或者可根據流體化學成分，室內配制或用蒸餾水將現場地層水、模擬地層水或礦化度下的標準鹽水按一定比例稀釋。然而，考慮到室內條件的限制，本實驗中巖樣初始滲透率所用流體為標準鹽水，中間測試流體為1/2初始流體礦化度鹽水。

1.2 實驗步驟

在傳統的水敏傷害評價基礎上，結合計算機斷層掃描(computed tomography, CT)進行微觀結構分析，具體流體示意圖如圖1所示。樣品水敏實驗的步驟如下。

(1)洗油烘干后對干巖樣進行CT掃描；對巖心一端進行(scanning electron microscope, SEM)礦物掃描。

(2)在圍壓10 MPa下抽真空12 h，飽和地層水。在驅替速度為0.01 mL/min的條件用地層水測得初始液相滲透率Ki，進行CT掃描。

圖1 基于電鏡及CT掃描的水敏實驗步驟Fig.1 Experimental steps of water sensitivity based on electron microscopy and CT scan

(3)以0.01 mL/min的速度用蒸餾水驅替巖心，驅替15PV后靜置12 h使蒸餾水與巖石礦物發生反應后用蒸餾水測定巖心滲透率Kw，進行CT掃描。

(4)將實驗后的巖心烘干研磨至325目左右進行X衍射礦物識別測試。

(5)將蒸餾水換為滑溜水和胍膠(破膠液)兩種壓裂液重復上述步驟。

1.3 實驗設備

1.3.1 聚焦離子束-掃描電鏡(FIB-SEM)

聚焦離子束-掃描電鏡(focused ion beam-scanning electron microscopy，FIB-SEM)是一款集高分辨場發射掃描電鏡(SEM)的成像功能和聚焦離子束(FIB)的切割功能為一體雙束系統，又可以用于對巖石中的礦物、有機質(或干酪根)和孔隙進行微米-納米尺度的高精度的三維成像，又可以對其他材料做納米加工，比如透射電鏡樣品制備，還可做晶體材料二維和三維電子背散射衍射(electron back scatter diffraction, EBSD)。

1.3.2 螺旋CT

雙能螺旋CT主要用來對全尺寸的巖心進行三維掃描。CT掃描巖石的基本原理如下：CT機發射并接受X射線，通過測定X射線的衰減量，計算出被掃描巖石各單位體積元的X射線衰減系數，這些衰減系數將構成不同的數字矩陣，以清水的衰減系數為基準進行無量綱轉換得到對應的CT值，通過CT機內數模轉換最后重建出CT圖像，圖像中每個像素點(即各單位體積元)對應前面的CT值。由于不同物質的CT值不一樣，因此，可利用巖心尺度上CT值的差別來進行相應的研究。

1.3.3 高溫高壓敏感性評價裝置

敏感性流動驅替實驗裝置是進行基礎五敏(水敏、速敏、鹽敏、酸敏及減敏)、應力敏和溫敏等敏感性評價的一種全自動流動實驗裝置[23-26]，其工作原理是根據達西定律，在實驗設定的條件下注入各種與地層損害有關的流體，或改變滲流條件(流速、凈圍壓等)，測定巖樣的滲透率及其變化，以評價儲層滲透率損害程度。同時，在改變流程的條件下，裝置可以實現氣驅、水驅、油驅等試驗[27-29]，在模型出口實現油水自動計量。

2 實驗結果及討論

2.1 宏觀傷害程度評價

本實驗水敏傷害率是根據行業標準中水敏(壓裂液)損傷率計算公式[30]，得到宏觀上巖心的水敏損傷程度,公式為

(1)

式(1)中：Dw為水敏損傷率，%；Ki為初始滲透率，mD；Kw為水敏后滲透率，mD。

通過對1#、2#和3#三塊樣品進行水敏實驗，實驗結果如表2所示。結果顯示，瑪湖砂礫巖儲層宏觀上表現為中等偏強和強水敏特征。

表2 水敏損害程度評價Table 2 Evaluation of the degree of water-sensitive damage

2.2 水敏微觀傷害機理

在砂礫巖樣品注入蒸餾水，滑溜水及胍膠后，采用SEM對微觀孔隙結構進行分析。并結合二值化的巖心切片圖，可以得到傷害前后孔隙與巖石骨架分布差異。表3為傷害前后孔隙度變化，并且孔隙度損傷程度為蒸餾水=胍膠(破膠液)>滑溜水。

表3 傷害前后孔隙度Table 3 Porosity before and after injury

圖2表示注入蒸餾水后傷害前后切片圖。注入蒸餾水后，黏土礦物膨脹、分散、運移、堵塞，主要對較小的孔喉造成損傷，進而導致儲層滲透率降低。而圖3則表示注入滑溜水后傷害前后切片圖。注入滑溜水后，其中的支撐劑對縫隙表面沖刷腐蝕，一方面微粒會被沖落聚集阻塞孔喉，一方面會導致縫隙閉合；同時，流體與儲層礦物的不配伍性，也會導致黏土礦物膨脹、分散、運移、堵塞，最終導致儲層滲透率的降低。圖4表示注入胍膠后傷害前后切片圖。對胍膠進行水浴加熱至破膠后注入巖心，發現傷害后，一方面一些較小的孔喉發生堵塞，另一方面，在較大孔隙中間滯留了許多顆粒。

通過掃描電鏡法對目標儲層孔隙和吼道連通性進行分析。從表4中可以看出，三種試劑均存在一定水敏效應，造成黏土礦物的分散、膨脹、運移，封堵較小孔喉；滑溜水中的支撐劑的沖刷作用，會導致巖心的縫隙閉合；胍膠(破膠液)黏度較大，導致運移的黏土礦物填充較大孔隙中心。

圖2 蒸餾水注入后傷害前后切片Fig.2 Distilled water injection after injury before and after section

圖3 滑餾水注入后傷害前后切片Fig.3 Slice before and after injury after slip distilled water injection

圖4 胍膠注入后傷害前后切片Fig.4 Section before and after injury after guanidine gel injection

2.3 傷害影響因素分析

2.3.1 XRD分析

(1)整體全巖礦物分析。表5、表6表示了巖塊內的礦物組成以及其中黏土礦物組成。根據全巖資料，瑪湖井區烏爾禾組低滲透砂礫巖儲集層黏土礦物含量超過30%，且以伊蒙混層為主。伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石的相對平均含量分別為46%、4%、25%、26%，伊蒙混層的混層比為70%。通過大量水敏實驗得到儲集層水敏性強且易分散，并且根據巖心樣品驅替前掃描電鏡分析結果，儲集層中存在一定量的石英、長石、黏土礦物等碎屑微粒。

表4 不同試劑的水敏效應Table 4 Water-sensitive effects of different reagents

表5 全巖礦物分析Table 5 Whole rock mineral analysis

表6 黏土礦物組成Table 6 Mineral composition of clay

(2)礫石和填隙物XRD分析。圖5為不同樣品的礫石和填隙物圖。主要通過敲碎樣品，手動分選來獲得。砂礫巖儲集層主要由水動力充足的沉積相帶(如沖積扇、扇三角洲)，相較于剖同砂巖儲層，由于其顆粒粒徑大小不一、巖性差異大、分選性差，且發育微裂縫，致使砂礫巖儲層物性變化快，儲層滲透率差異大，非均質性強。

圖5 不同樣品礫石和填隙物圖Fig.5 Map of gravels and infill of different samples

表7、表8分別為樣品礫石與填隙物的成分。圖7表示了樣品的具體礦物成分。實驗中，將礫巖巖心進行顆粒挑選，得到礫石和松散填隙物，分別進行碎樣和XRD全巖分析。其中部分礫石(克205)遇水迅速分散溶解，大部分礫石常溫常壓遇水不易松散溶解。分析發現，礫石(原來認為是泥礫)中黏土礦物含量平均為28.6%，而填隙物中黏土礦物含量高達50%多，平均41.5%。黏土礦物是造成儲層水敏的重要因素之一。填隙物中方解石含量也較高，部分高達10%以上，為酸敏礦物，一種是產生化學沉淀或凝膠；二是破壞巖石原有結構，產生或加劇速敏性。巖心樣品中石英和長石含量較高，固結不緊的微晶石英、長石、高嶺石、伊利石等為速敏礦物，易隨流速增大產生分散遷移，堵塞孔隙和吼道。

表7 礫石成分Table 7 Gravel composition

表8 填隙物成分Table 8 Composition of gap filler

圖6 不同砂礫巖樣品的電鏡掃描Fig.6 Electron microscope scans of different sand and gravel samples

2.3.2 SEM分析

圖6為不同砂礫巖樣品的電鏡掃描。通過掃描電鏡，樣品膠結物主要以伊蒙混層、伊利石，綠泥石、高嶺石為主。高放大倍數下可以觀察到：大量的呈粒表蜂窩狀的蒙脫石、伊/蒙混層，呈粒表彎曲片狀的伊利石、粒間絨球狀和花狀的綠泥石、多邊形板狀的高嶺石形態特征，且膠結物在粒間粒表均可見。通過掃描電鏡對比分析，發現巖心孔喉中存在一定的黏土礦物和碎屑微粒，在水驅過程中這些微粒膨脹、分散、運移從而堵塞吼道。對于注入水礦化度減小實驗，水驅后發生較強的黏土礦物水化作用和微粒運移，造成較強的儲集層水敏傷害。

2.3.3 原子力顯微鏡結果分析

一般情況下，原子力顯微鏡的橫向分辨率能達到1 nm，縱向分辨率為0.2 nm[31]，通過原子顯微鏡顯示，可以直接接觸到礫巖的微觀層面。在同一納米尺度下，表面粗糙度越大，與水接觸時的表面積相對較大，水敏性強，更易發生水化膨脹、分散。通過圖7原子力顯微鏡觀測，可以看出各個樣品的表面在微觀層面仍是存在很大的粗糙度，各個樣品的微觀存在均以橢球形和球形為主。砂礫巖儲層的高表面粗糙度也是強水敏傷害的重要原因之一。

2.3.4 潤濕性結果分析

巖石礦物成分主要以硅酸鹽礦物為主，在表面潔凈的情況下，巖石一般是親水的；但親水程度不同，按親水次序強弱依次是：石英、石灰巖、白云巖、 長石。黏土礦物對巖石的潤濕性有較大的影響，大部分黏土礦物親水性較強(特別是蒙脫石)，泥質膠結物的存在也會增加巖石的親水性[32]。由圖8樣品接觸角度圖可看出，固液界面接觸角范圍在15.24°～33.41°，呈現較強的親水性。砂礫巖親水性較強，毛細管力作為動力可將水基壓裂液自發吸入孔隙中，誘發黏土礦物膨脹和水鎖傷害，最終導致砂礫巖具有強水敏特征。

圖7 不同樣品的原子力顯微鏡結果Fig.7 AFM results of different samples

圖8 不同樣品的接觸角Fig.8 Shows the contact angle of different samples

3 結論

選用了6組不同區塊的砂礫巖樣品，進行了巖心孔隙度、礫石和填隙物全巖礦物、掃描電鏡、原子力顯微鏡和潤濕角測試。通過對這些樣品進行滲流實驗前后對比，并對實驗現象和結果進行分析，得出以下結論。

(1)從全巖礦物結果分析來看：產生水敏的主要原因是儲層的不同性質，黏土礦物含量高(>16%)，甚至超過30%，且以蒙脫石、伊蒙混層為主，水敏性強，易膨脹，并伴有分散現象，呈現出強水敏性。

(2)通過蒸餾水、滑溜水和瓜膠水驅實驗表明：從液體注入前后切片對比可以看出，三種試劑均存在一定水敏效應，造成黏土礦物的分散、膨脹、運移，封堵較小孔喉；且滲透率損傷程度為蒸餾水=胍膠(破膠液)>滑溜水。

(3)通過SEM、原子力顯微鏡和潤濕角測量結果分析可知：砂礫巖巖心孔喉中存在一定的黏土礦物和碎屑微粒，在水驅過程中這些微粒膨脹、分散、運移從而堵塞吼道；砂礫巖表面存在很大的粗糙度和強親水性，能夠加速砂礫巖的水敏傷害。