注入水矿化度对盐间页岩油储层物性影响研究

李兆敏，赵艳玲，王海涛，赵清民，鹿 腾，徐正晓

(1. 中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100089 )

0 引 言

近年来，页岩油成为继页岩气后全球非常规油气勘探开发的又一新热点，中国陆相页岩油地质评价方法已经基本成熟，页岩油勘探开发技术攻关取得重要进展[1-8]。江汉盆地潜江凹陷广泛发育陆相盐湖盐间泥页岩,有机质含量较丰富,具备页岩油成藏的石油地质条件,对江汉盆地潜江凹陷盐间储层进行研究对开拓中国非常规油气勘探新领域具有重要意义[9-14]。

目前对江汉盆地潜江凹陷的勘探研究大多以地质特征、储层岩性特征为主。研究发现，江汉盆地潜江凹陷潜江组储层结构复杂，白云石晶间孔发育，孔喉细小，排驱压力较高；天然裂缝发育多为层理缝，局部发育高角度构造缝，以层理缝-孔隙型为主，压裂改造后，压裂裂缝发育，缝网复杂；且储层岩性特殊，富含水溶性矿物，淡水溶解可溶盐类矿物后，改变了储层物性[15-21]。目前现场已开展单井注水吞吐试采，试验结果表明渗吸油水置换、水溶盐改善了储层渗流能力，但多周期注水吞吐易造成盐溶解，使地层垮塌亏空，引起套管变形、挫断。针对上述问题，通过岩心渗吸-驱替实验，结合核磁共振、扫描电镜等方法，观察岩心微观孔隙结构变化，揭示不同矿化度的注入水对盐间页岩油岩心孔隙结构的影响，探究不同矿化度的注入水对岩心渗流能力的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验岩心取自潜江凹陷潜江组潜四段下部王99井，岩性为白云质泥岩。通过 X 衍射岩心薄片分析结果可知，岩样中矿物平均含量分别为：盐类矿物为9.71%，碳酸盐矿物为41.44%，脆性矿物为41.71%，黏土矿物为7.14%。实验前将岩样洗油烘干并气测孔隙度和渗透率，其基本物性参数如表1所示。岩样孔隙度由超低渗孔隙度测量仪(YRD-CPOR200)测定，渗透率由串联多量程压力测试仪测定。

实验流体为地层水(矿化度为301 001 mg/L)、中矿化度水(矿化度为150 498 mg/L)、低矿化度水(矿化度为75 249 mg/L)、超纯水(矿化度为0 mg/L)。

表1 岩心基本物性参数

1.2 实验方法

1.2.1 岩心静态渗吸实验

实验装置为核磁共振测试仪(磁体类型为永磁体，磁场强度为 0.30±0.05T；围压不大于40.0 MPa，轴压不大于38.0 MPa；实验温度为25 ℃)。实验岩样选用1号岩心，并将其沿直径方向均匀切分为3段。实验方法：将烘干的岩心分别置于超纯水、中矿化度水、地层水中静态渗吸，待自发渗吸一定时间后，取出岩心，用吸水纸擦干表面水样，测量其核磁T2谱。

1.2.2 岩心驱替实验

实验岩样选用2号岩心。实验步骤：①岩心抽真空24 h、饱和地层水45 h；②将岩心置于岩心夹持器中，将地层水置于中间容器，设置围压为1.5 MPa，实验温度为地层温度80 ℃，以0.1 mL/min的驱替速度进行驱替；③测定岩心初始渗透率后，换用中矿化度水驱替，保持驱替速度不变，驱替10倍孔隙体积后停止，保持围压和温度不变，静置12 h以上继续驱替，测定岩心渗透率；④用同样的方法测定低矿化度水、超纯水驱替的岩心渗透率。

2 实验结果与讨论

2.1 岩心静态渗吸实验

2.1.1 核磁共振实验结果

核磁共振实验可以测定岩心内不同孔径的孔隙中的含液量，岩心饱和单相流体的T2谱可以反映其内部孔隙结构。核磁共振谱图横坐标弛豫时间与岩心孔隙半径的关系为：

(1)

式中：ρ2为岩石的横向表面弛豫率，μm·ms-1，用于表征岩石性质；S为岩心孔隙表面积，μm2；V为岩心孔隙体积，μm3；Fs为几何形状因子，对于球形孔隙Fs等于3，对于柱状孔隙Fs等于2；rc为孔隙半径，μm。

由式1可知，弛豫时间和岩心孔隙半径成正比，即岩心小孔隙对应的表面弛豫时间短，大孔隙对应的表面弛豫时间长。T2谱曲线的纵坐标为信号幅值，信号幅值与岩心孔隙内含有的流体体积成正比，据此可以通过弛豫时间及信号幅值来反映孔隙孔径与流体饱和度，从而观测不同孔隙中的流体分布和运移状况[22-25]。

通过岩心在地层水中渗吸的T2谱图(图1a)可以看出，岩心T2谱呈连续的双峰特征且左峰面积大于右峰面积，表明小孔隙体积占总孔隙体积比例大，大孔隙体积占总孔隙体积比例小。自发渗吸前期，T2谱幅度增长较快，自发渗吸24.0 h后，渗吸趋于稳定；渗吸过程中，曲线振幅均匀增加，表明岩心孔隙中水含量逐渐增加。通过岩心在中矿化度水中渗吸的T2谱图(图1b)可以看出，岩心T2谱呈孤立的双峰特征且左峰面积远大于右峰面积。左峰自发渗吸前20 minT2谱幅度变化较大，表明进入岩心孔隙中的水量较多；渗吸中后期T2谱变化幅度微小，渗吸很快趋于稳定。右峰随自发渗吸时间延长逐渐向左移动，表明渗吸液所在孔隙的孔径变小。通过岩心在超纯水中渗吸的T2谱图(图1c)可以看出，岩心T2谱呈孤立的单峰特征。自发渗吸 24.0 h后，渗吸趋于稳定。峰的左翼随自发渗吸时间延长而重合，表明小孔隙受毛细管力影响首先被充填；峰的右翼振幅逐渐增加，表明对应孔隙中水量逐渐增加；同时波峰逐渐向右移动，对比岩心在超纯水中渗吸开始和结束时波峰对应的T2时间(分别为13.35 ms和14.97 ms)，T2时间明显增大，表明岩心孔隙在渗吸过程中变大。

图1 岩心在不同流体中渗吸T2谱

2.1.2 岩心扫描电镜结果

通过扫描电镜观察在不同矿化度水中渗吸后岩心的孔隙微观结构变化，根据能谱图分析扫描电镜图像中的矿物组成，岩心扫描电镜图与能谱图见图2～4。由图2～4可知，在模拟地层水中渗吸后，岩心孔径集中分布在4～15 μm，岩心多被石盐覆盖，孔隙局部放大显示颗粒表面多被石盐(Hl)覆盖；在中矿化度水中渗吸后，岩心孔径集中分布在3～11 μm，岩心多被石盐覆盖，孔隙局部放大显示颗粒表面有石盐覆盖；在超纯水中渗吸后，岩心孔径集中分布在6～28 μm，但岩心内石盐含量大幅减少，孔隙局部放大显示颗粒表面无石盐覆盖，且孔隙中短柱状石膏(G)充填分布并有溶蚀现象。

结合岩心核磁共振T2谱图和扫描电镜结果，将在地层水中渗吸的岩心视为原始岩心，分别与在中矿化度水、超纯水中渗吸后的岩心对比。可以看出，岩心在中矿化度水中渗吸后，含盐量略有下降且孔隙尺寸变小，这是由于岩心发生水敏效应，即水分子进入黏土矿物晶层间降低晶片间作用力，使黏土矿物发生水化或膨胀，导致晶面间距增大，岩石有效孔隙度和孔喉半径减小[26-27]。因此，岩心渗吸后期仅有少量液体渗入岩心，渗吸很快趋于稳定；岩心在超纯水中渗吸后，含盐量大幅度下降且孔隙的孔径变大，这是由于岩心内孔隙表面可溶盐类发生溶解，即岩心在油藏条件下，以地层水为溶剂，盐处于特定的溶解平衡状态，当注入超纯水时，岩心中作为溶剂的水相改变，作为溶质的盐的溶解量随之增加[28]，导致孔喉尺寸变大，因此，岩心渗吸过程中T2谱波峰逐渐向右移动。

图2 岩心在地层水中渗吸能谱及扫描电镜图像

图4 岩心在超纯水中渗吸能谱及扫描电镜图像

2.2 岩心驱替实验

2.2.1 驱替压差变化

岩心水驱过程中驱替压差及渗透率变化如图5、表2所示。由图5、表2可知：①在中矿化度水驱阶段，岩心两端驱替压差逐渐增大，岩心渗透率下降。这是由于岩心矿物发生水敏效应。岩心原始状态处于高矿化度环境中，黏土矿物遇中矿化度水后发生水化、膨胀，在注入流体的作用下发生分散、运移，从而减小或堵塞岩石的有效孔隙喉道，造成岩心渗透率下降，计算其水敏损害率为20.45%，损害程度为弱。②在低矿化度水、超纯水驱阶段，岩心两端驱替压差逐渐降低，渗透率分别增大34.76%、61.15%。这是由于岩心矿物发生盐类溶解作用。随着注入水矿化度的降低，岩心内可溶盐类的溶解平衡状态发生改变，盐溶量逐渐增加，致使岩心渗透率增大。超纯水注入后岩心两端驱替压差再次下降，渗透率相比低矿化度水驱后提高19.58%，此结果表明注入水的矿化度越低，对岩心内水溶性盐的溶解作用越强，岩心渗透率提高幅度越大。

图5 不同注入水情况下的驱替压差

表2 不同注入水情况下岩心渗透率

Table 2 Core permeability under different types of injection water

注入水渗透率/mD地层水0.538中矿化度水0.428低矿化度水0.725超纯水0.867

2.2.2 产出液中离子含量变化

在驱替过程中，岩心内矿物成分发生溶解或溶蚀并随注入液流出岩心，致使注入液中离子成分含量改变。水分析仪能够对流体中离子进行定量表征，以明确驱替过程中注入液对岩心矿物的影响。

水分析仪检测结果如表3所示。由表3可知，岩心经中矿化度水驱替，产出液中离子含量变化较小；岩心经低矿化度水、超纯水驱替后，产出液中离子含量大幅增加，其中，经低矿化度水驱替后钾离子与钠离子含量增长17.09%，氯离子含量增长13.24%；经超纯水驱替后各离子含量均有明显上升。在实验过程中盐间页岩油岩心经中矿化度水驱后，主要发生水敏效应，仅有少量颗粒发生运移、分散、脱离；岩心经低矿化度水和超纯水驱替后，主要发生盐类溶解作用，岩心孔隙表面的盐类溶解在注入水中并随之流出岩心，从而造成岩心渗透率增大，且注入水的矿化度越低，岩心内水溶性盐的溶解量越大。

潜江组盐间页岩油区块初期采用“衰竭式”开发，产量高，但产量下降较快。目前现场已开展单井注水吞吐、井组注水开采2种模式，注清水开发时，由于可溶性盐类会发生溶解，使储层的孔隙结构发生变化，导致岩石的孔隙度和渗透率发生改变，从而改善了储层渗流能力，减缓产量递减，这是实现油田长期增油的原因之一。但经过多周期注清水吞吐，使得大量盐类溶解，容易造成地层垮塌亏空，引起套管变形、挫断。结合实验结果，证实超纯水确实可以溶解大量岩心内水溶性盐，改变储层物性，而低矿化度水可以溶解岩心部分水溶性盐，既可改善岩心的水敏效应，又可有效提高岩心渗透率，且对地层的溶蚀作用较小，因此，建议研究区采用低矿化度水进行开发。

表3 不同矿化度驱替液注入前后离子含量

3 结 论

(1) 利用核磁共振和扫描电镜实验研究不同矿化度注入水对岩心微观孔隙结构的影响：中矿化度水中渗吸的岩心较快趋于稳定且T2谱右峰逐渐向左移动，岩心内发生水敏效应，导致孔隙结构变小。超纯水中渗吸的岩心T2谱波峰逐渐向右移动，表明注入水逐渐向较大孔隙转移，岩心内可溶盐类被超纯水溶解，导致孔隙结构变大。

(2) 中矿化度水进入储层后发生水敏效应，导致岩心渗透率降低，低矿化度水、超纯水会溶解岩心内的可溶盐类，导致岩心渗透率增大。

(3) 注入水矿化度越低，岩心内水溶盐的溶解作用越强，低矿化度水驱可以溶解岩心部分水溶性盐，即可改善岩心的水敏效应，可有效提高岩心渗透率。