强水敏感性稠油油藏黏土热膨胀性特征研究——以金家油田沙一段为例

路言秋

(中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015)

强水敏感性稠油油藏黏土热膨胀性特征研究

——以金家油田沙一段为例

路言秋

(中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015)

摘要：金家油田沙一段稠油油藏储层黏土含量高且具膨胀性，导致储层强水敏性，制约油藏热采开发，为此开展了不同温度条件下黏土膨胀性研究。测试实验表明，其黏土矿物类型主要为钙基蒙脱石，低温(45℃地层温度)条件下测试膨胀率平均为26.3%，储层具强水敏性。差热和热重、高压釜高温实验后样品晶间距测试结果表明，在100 ℃以上的高温条件下，蒙脱石脱水，晶间距变小，膨胀性减弱，水敏性变弱；当温度达到300 ℃时，蒙脱石晶间距与标准晶间距相近，膨胀性基本消失。

关键词：金家油田；沙一段；钙基蒙脱石；膨胀特征

在油气田开发过程中，由于外来流体与储层中所含流体和储层中普遍存在的黏土、碳酸盐类矿物不匹配，导致储层渗透能力下降，从而伤害储层生产能力，储层对外来流体的敏感程度称为储层敏感性。在储层敏感性研究过程中，很多学者对常规注水开发的稀油油藏储层敏感性进行了大量研究[1-6]，对于稠油热采中高温条件黏土转化、黏土膨胀性等特征进行了一些有益研究[7-11]，本文对金家油田沙一段稠油油藏不同温度条件下黏土矿物膨胀性进行研究，为沙一段稠油油藏热采开发提供依据。

1研究区概况

金家油田地处山东省桓台县境内，区域构造上位于东营凹陷次级构造博兴洼陷南部金家-樊家鼻状构造西南边缘斜坡带上，南部为鲁西隆起，向北构造变低。自下而上发育孔店组、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、东营组、馆陶组等地层，局部东营组被剥蚀，沙一段与上覆馆陶组呈角度不整合接触关系，与下伏沙二段呈整合接触关系。沙一段埋深较浅(760～1 100 m)，主要沉积类型为水下冲积扇和滩坝相，砂体胶结疏松，胶结类型主要为孔隙式，胶结物主要为泥质，岩性类型主要为岩屑长石砂岩，石英、长石含量较低，岩屑含量高(25%～50%)，岩屑类型主要为中性喷出岩、玄武岩、凝灰岩等。沙一段储层孔隙度平均为34.6%，渗透率平均为787×10-3μm2，具有高孔中低渗特征，储层具有强的层内、层间和平面非均质性。微观孔喉类型主要为小孔-细喉型，孔喉非均质性较强。50 ℃地面原油黏度209～2 544 mPa·s，平均1 050 mPa·s，为普通稠油油藏。截至目前累计上报探明和控制储量4 014×104t。自1989年投入开发以来，该油田开发效果较差，采出程度极低，这与沙一段高黏土含量以及黏土膨胀等因素密切相关。

2黏土矿物类型确定

储层敏感性主要由储层中黏土矿物的含量及类型控制。据X射线衍射分析，金家油田沙一段碎屑岩中的黏土含量很高，占全岩的21%，其中黏土矿物以蒙脱石为主。蒙脱石依据晶格类型、晶间距差异，可划分为钠基蒙脱石和钙基蒙脱石，二者均具有一定膨胀性，但钠基蒙脱石膨胀性远大于钙基蒙脱石，因此在研究膨胀性之前需明确蒙脱石类型。

用激光轰击钠、钙基蒙脱石等矿物晶体时，矿物晶体就会产生振动并发生位移，从而散射出各自不同的拉曼位移谱系，以此可以判别蒙脱石类型。运用激光拉曼光谱仪对E3s13和E3s14两个砂层组的2块样品进行测试，其拉曼位移分别为1 600 cm-1和1 590 cm-1，而钙基性蒙脱石拉曼位移峰位区间一般为1 500～1 650 cm-1，因而确定蒙脱石类型为钙基型，这与该块富钙的沉积环境有关。

3黏土矿物膨胀性实验

3.1低温膨胀性

低温条件下膨胀率测定使用设备为NP-01型膨胀率测试仪。

实验水采用蒸馏水；实验温度为45 ℃(地层温度)；实验样品选用J10-14井E3s13层38-41样品和J16-2井E3s14层47-51样品，洗油岩心过目200筛,每层分作2份,每份5 g，共分成4份，静置48 h后进行实验。结果表明，45 ℃时38-41样品蒙脱石膨胀率为32.5%，47-51样品蒙脱石膨胀率为20%，二者平均为26.3%。

3.2高温膨胀性

蒙脱石吸水、脱水引起的膨胀性变化与表层水、层间水(A位、B位)、晶格水三层水结构有关，其中主要受B位层间水影响，蒙脱石脱水规律可以通过差热和热重分析研究[8-9]。

3.2.1热重(TGA)和差热(DTA)测试

运用热重-差热分析仪对金家油田沙一段4块样品进行差热和热重测试，将测试结果结合红外光谱(表1)进行了分析：

(1)当平均温度达到123 ℃之前，差热曲线上出现一个放热峰，峰域较窄，该峰主要是由于Si-O和Si-O-Si在较低温度下伸缩及弯曲振动引起，热重曲线上则表现为失重明显，约为2.7%。在该峰域温度下，蒙脱石因晶格受热摆动而脱去表层水，相当于红外光谱465 cm-1低频吸收区。

(2)平均温度123～351 ℃，差热曲线上表现为一个开阔的吸热谷，失重约为1%。该温度范围内，蒙脱石脱去层间B位水，相当于红外光谱1 640 cm-1中频吸收区。

(3)平均温度351～559 ℃，差热曲线上表现为一吸热谷，吸热谷之前放热峰不明显，其失重约为1.4%，表明蒙脱石脱去层间A位水，相当于红外光谱3 430 cm-1吸收区。

(4)平均温度559～802 ℃，曲线表现为一吸热峰，失重约为4%，表明为蒙脱石大量脱羟，相当于红外光谱3 630 cm-1高频吸收区。

综上所述，该区蒙脱石的脱水规律为：蒙脱石在高温条件下，随着温度升高，蒙脱石逐渐脱去表层水、层间B位水、层间A位水、羟基，表现为以下脱水过程：平均123 ℃脱去表层水，351 ℃脱去层间B位水，559 ℃脱去层间A位水，802 ℃脱羟基，见表1。

3.2.2高压釜高温实验后蒙脱石晶格测定

(1)实验条件。使用设备为CD-05型高压釜，实验样品为J16-2井E3s14层3组各30克粉砂岩散样(样品号38-1、38-2、38-3)，模拟温度100 ℃、200 ℃、300 ℃，介质pH值9，模拟地层压力为8 MPa(地层压力)进行3次实验，每次96 h，相当于模拟现场焖井4天。实验后散样制备是用酒精分散，搅拌后用吸管取出一滴悬浮液滴在微栅上，凉干后即放入200CX型(美制)高分辨电子显微镜(HREM)镜下观察，分别对100 ℃、200 ℃、300 ℃实验后样品进行蒙脱石晶格测定，放大倍数为12×12×104倍。

表1　金家油田沙一段3、4层碎屑岩差热与热重分析综合

(2)实验结果分析。蒙脱石属层架状铝硅酸盐矿物，层与层呈规则平行堆垛，每个单位构层由三个暗层和一个亮层共四层组成。3个暗层分别为SiO4基团层，Mg、Al离子层，SiO4基团层。Mg、Al离子层为中间暗层，色浅，呈虚线状；SiO4基团层为两侧暗层，色暗，呈连续状。1个亮层为层间域，它位于两个单位结构层面之间。

高压釜100 ℃实验后，蒙脱石晶间距很宽，显示出明暗相间的图案，测得晶间距为17.21；高压釜200 ℃实验后，蒙脱石晶间距与38-1样(100 ℃)相比明显减小，测得为15.63；高压釜300 ℃实验后，蒙脱石黑色晶格紧密排列，层间域已经收缩，仅在外部边沿有些亮层且具溶蚀后的蠕虫状外形，反映了蒙脱石的溶蚀特征，测得的蒙脱石平均晶间距为14.68。与蒙脱石标准晶间距14.2对比发现，100 ℃晶间距最大，此时蒙脱石膨胀性较强，随温度升高晶间距变小膨胀性减弱，至300 ℃，晶间距与蒙脱石标准晶间距接近，膨胀性基本消失。

3.2.3黏土矿物水敏感性测试实验

黏土矿物的水敏感性主要由黏土矿物水化膨胀引起的，因而其膨胀性可以通过水敏感实验来反映。为表征高、低温条件下蒙脱石膨胀性特点，选取J16-2井E3s14砂层组同一部位相同岩性两块样品进行45 ℃(地温条件)和250 ℃高温条件下水敏感测试实验。从水敏感测试实验曲线上可以看出，45 ℃时水敏指数高达0.97，表现为极强水敏性；而250℃高温水敏指数为0.43(图1)，则表现为中等偏弱水敏。实验结果表明：低温条件下储层具强水敏性，而在较高温度条件下，储层敏感性减弱。

4结论与建议

(1)金家油田沙一段黏土含量高，主要黏土矿物为蒙脱石，蒙脱石类型为钙基型，45 ℃(地温条件下)膨胀率平均为26.3%，其膨胀性是引起金家油田强水敏性的主要原因。

图1　不同温度条件下水敏感实验曲线

(2)蒙脱石在平均温度123℃～351 ℃时，逐渐脱去层间B位水；而在平均温度100～300 ℃时，随温度升高，蒙脱石晶间距由17.21减小至14.68，逐渐接近标准晶间距14.2；水敏实验表明45 ℃时岩样表现为极强水敏性，250 ℃则表现为中等偏弱水敏性。说明了高温条件下，随温度升高蒙脱石失水，晶间距减小，膨胀性减弱至接近消失，同时储层水敏性表现为敏感性减弱。

(3)对于金家油田沙一段稠油油藏热采开发来说，应减少水敏感性对储层造成的伤害，在进行低温带防膨的同时还要考虑提高蒸汽的温度和干度的方法，减弱高温带蒙脱石的水化膨胀性。

参考文献

[1]陈恭洋，张玲，周超宇.新沟咀组下段黏土矿物分布特征与储层敏感性[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2010，32(2):7-12.

[2]成赛男，田继军，张鹏辉．伊通盆地莫里青断陷西北缘双阳组二段储层敏感性流动实验评价[J].油气地质与采收率，2013，20(3):76-78.

[3]康毅力，罗平亚.黏土矿物对砂岩储层损害的影响[J].钻井液与完井液，2010，17(5)：36-40.

[4]单华生，周锋德．伊通盆地鹿乡断陷低渗储层敏感性机理分析及分布预测[J].地球科学，2012，37(4):719-727.

[5]马世忠，王海鹏，孙雨，等.松辽盆地扶新隆起带北部扶余油层超低渗储层黏土矿物特征及其对敏感性的影响[J].地质论评，2014，60(5):1085-1092.

[6]赵大华，李保民，赵会涛.用测井资料评价上古生界砂岩储层敏感性[J].天然气工业，2002，22(6)：42-44.

[7]张关龙，陈世悦，鄢继华. 郑家-王庄地区沙一段黏土矿物特征及对储层敏感性影响[J].矿物学报，2006，3(1)：100-106.

[8]张关龙，陈世悦，王海方. 稠油热采过程储层中黏土矿物转化研究进展[J].矿物学报，2009，29(1)：113-118.

[9]孟小海，时佃海，张保卫. 王庄油田黏土矿物转化对储层的影响[J].特种油气藏，2006，13(6)：80-83.

[10]叶正荣，樊世忠，蒋海军. 热采过程中储层温度敏感性室内实验[J].特种油气藏，2000，7(1)：35-37.

[11]时佃海.王庄油田强水敏性稠油油藏热采开发研究[J].地层学杂志，2007，31(增刊Ⅱ)：605-624.

[12]何宏平，谢先德，郭九皋. 离子交换蒙脱石的热稳定性研究[J].矿物岩石，2000，20(1)：1-3.

[13]陈桂华，孟小海，李伟忠. 王庄油田膨胀性黏土特性研究[J].西北地质，2007，40(2)：103-108.

编辑：李金华

文章编号：1673-8217(2016)01-0126-03

收稿日期：2015-09-07

作者简介：路言秋，工程师，硕士，1982年生，2009年毕业于中国石油大学(北京)矿产普查与勘探专业，现主要从事稠油油藏开发地质方面工作。

基金项目：国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”项目(2011ZX05011-002)。

中图分类号：T345

文献标识码：A