江 涛,韦 涛,范 旭,许卫凯,李 勇*
1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津300450;
2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083
储层敏感性分析是判别油气储层损害程度的重要手段之一,可以揭示孔渗结构变化的影响因素,为油气资源的经济性开发提供指导(王玉霞等,2018;邵东波和陈建文,2017)。中国致密气资源丰富,但是气藏储量丰度低,产能递减快(戴金星等,2012)。油气藏投入生产开发之后,致密砂岩储层因其低孔低渗的储层物性、复杂多样的孔隙结构以及分布不均的矿物组成,外来流体或地质条件的改变极易引发孔隙度和渗透率的储层敏感性,从而使油气产量不同程度的受到损害(李群等,2009;盛帅英等,2016;崔璀等,2018)。储层敏感性主要包括速敏、水敏、盐敏、酸敏和碱敏等。不同沉积体系的砂岩对应的敏感性存在明显的差异(邱隆伟等,2009;邵东波和陈建文,2017;李勇等,2020),已有工作尚未系统研究储层敏感性,尤其是对特定层位、特定沉积环境下的储层敏感性差异认识较少,对储层敏感性控制特征尚不明确。因此,查清不同层位、不同类型储层敏感性对指导气藏高效开发具有重要的指导意义。
鄂尔多斯盆地东北缘临兴地区是国内致密气和煤系气勘探开发的热点地区,其主要开发层位包括石炭系—二叠系的太原组、山西组和下石盒子组(赵达等,2016)。其中,太原组属于海陆过渡相沉积,山西组为陆相河流—三角洲—湖泊相沉积,下石盒子组则主体为河流相沉积(李勇等,2017;Li et al., 2019)。基于此,本文通过开展临兴地区石炭系—二叠系致密砂岩的物质组成和五敏实验测试,系统分析不同层位的岩矿组成及孔渗结构对储层敏感性的影响,进而明确不同层位物质组成差异对储层敏感性的控制机理。本研究成果可为后续钻井和压裂工程的施工及排采管理工作提供地质保障和理论依据。
研究区位于晋西挠褶带和伊陕斜坡交接之处(图1),构造较为平缓,总体为向西倾斜的单斜构造,由南向北构造发育程度逐渐增大,鼻隆幅度逐渐升高(谢英刚等,2016;赵达等,2016)。受早白垩世紫金山岩体侵入的影响,局部隆起,使得研究区东部断裂呈放射状。研究区上古生界地层自下而上分别发育本溪组、太原组、山西组、石盒子组和石千峰组,其中山西组的5(4+5)号煤层和太原组9(8+9)号煤层是区内主要含煤和含气地层(谢英刚等,2016;李勇等,2017;Li et al.,2019)。
X衍射全岩分析表明,研究区矿物组分主要以石英、长石和岩屑为主,方解石含量高。其中下石盒子组石英含量44.1%~90.3%,平均70.3%;长石含量0~27.2%,平均9.0%;岩屑含量9.7%~45%,平均20.7%。含有少量菱铁矿等酸敏矿物,平均1.6%,不含铁白云石,黏土矿物平均含量为11.4%。主要岩石类型以长石岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主,长石砂岩等不发育(图2a;图3a)。
山西组石英含量1.4%~92.7%,平均66.6%;长石含量0~12.2%,平均0.8%;岩屑含量7.3%~98.7%,平均32.6%,铁白云石平均含量3.1%,另外还有少量的菱铁矿和黄铁矿,黏土矿物平均含量17.6%。以岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主,发育少量长石岩屑砂岩和石英砂岩(图2b;图3b)。
太原组石英含量0~93.2%,平均65.0%;长石含量0~47.6%,平均8.2%;岩屑含量6.1%~62%,平均26.8%,铁白云石平均含量4.7%,菱铁矿平均含量4.8%,还有少量黄铁矿,黏土矿物平均含量14.9%。岩性以岩屑砂岩、岩屑石英砂岩为主,其次是长石岩屑砂岩和石英砂岩,偶见岩屑长石砂岩(图2c;图3c)。
总体而言,研究区下石盒子组、山西组和太原组以细粒、细—中粒和中粒砂岩为主,碎屑成分主要为石英、长石和岩屑。填隙物主要是黏土杂基和自生胶结物,以硅质胶结和泥质胶结为主,其次是碳酸盐胶结,接触方式主要为凹凸接触和线—凹凸接触。
图1 临兴地区区域位置图Fig.1 Structural setting of the Linxing area
图2 砂岩类型三角图Fig.2 Triangle plots showing the types of sandstones
研究区黏土矿物主要包括高岭石、伊利石、绿泥石、伊/蒙混层以及少量的绿/蒙混层。伊利石主要呈片丝状产出,充填孔隙,易水化膨胀和迁移(黄思静等,2009;孟万斌等,2011)。高岭石多呈书页状和蠕虫状,产状主要为充填式,多由长石蚀变而来,结构松散。绿泥石多呈针叶状,其产状主要为薄膜状充填孔隙,易酸蚀,不易水化膨胀。伊/蒙混层多呈片状,遇水易膨胀(高翔,2017;Boles et al.,1979)。
下石盒子组中伊利石相对含量5%~84%,平均49.6%;高岭石相对含量3%~40%,平均19%;绿泥石相对含量3%~43%,平均17.5%;伊/蒙混层相对含量3%~32%,平均13.7%。山西组中伊利石相对含量0.59%~86%,平均26.0%;高岭石相对含量0~56%,平均10.8%;绿泥石相对含量0~58%,平均10.7%;伊/蒙混层相对含量0~21%,平均5.6%。太原组伊利石相对含量5%~100%,平均69.7%;高岭石相对含量0~92%,平均15.1%;绿泥石相对含量1%~74%,平均10.5%;伊/蒙混层相对含量0~18%,平均4.7%(图3d,e,f)。
储层的储集性能和产能在很大程度上由储层的孔隙度和渗透率影响,储层物性是储层微观孔隙结构的宏观反映,孔隙结构则在微观尺度上控制着储层物性(王峰等,2009;郭艳琴等,2019)。气测孔渗结果表明,研究区下石盒子组孔隙度主要分布在2.47%~13.14%,平均5.00%;渗透率则分布在0.00~1.46 mD,平均0.14 mD。山西组孔隙度在0.59%~8.67%,平均为4.79%;渗透率在0.00~0.39 mD,平均为0.11 mD,孔隙度和渗透率都最低。太原组孔隙度在0.66%~11.59%,平均5.34%;渗透率一般小于1 mD,平均为0.18 mD,相对山西组物性较好,比下石盒子组较差(图4)。
图3 全岩矿物含量及黏土矿物相对含量分布柱状图Fig.3 Histograms of minerals content in bulk rocks and relative contents of clay minerals
根据压汞法毛细管压力曲线测定(表1),结果表明,下石盒子组储层排驱压力大,为0.034~6.893 MPa,平均1.046 MPa。储层最大连通孔喉半径较小,渗透性较差,歪度平均-0.208,属细歪度,峰态平均0.842,表现为低缓峰,孔喉分布不均匀。山西组排驱压力更大,平均1.888 MPa;歪度为-0.185(细歪度),峰态为0.765(低缓峰),半径均值为0.115 μm。太原组砂岩的排驱压力为1.342 MPa,介于下石盒子和山西组之间,其他压汞曲线参数也表现出相应的特征,这与孔隙度和渗透率表现出很好的一致性(图5)。
图4 孔隙度和渗透率分布散点图Fig.4 Scatter plots of porosity and permeability
表1 基于压汞测试的致密砂岩孔隙结构特征Table 1 Characteristic of pore structure of tight sandstones revealed by mercury porosimetry
图5 典型样品毛管压力曲线Fig.5 Capillary pressure curves of typical samples
根据石油天然气行业标准SY/T 5358-2010(油气田开发专业标准委员会,2010),储层敏感性流动实验评价方法对储层岩样进行敏感性评价,本文引入渗透率比值的概念,并依次定义速敏、水敏、盐敏、酸敏及碱敏渗透率比值为Kvs、Kws、Kss、Kacs 及Kals。在五敏实验数据的基础上,计算得到敏感指数和渗透率比值,主要得到以下参数(图6)。
Ks—渗透率比值;
Kis—(i 依次表示:v, velocity; w, water; s, salt;ac,acid;al,alkali)
Ds—渗透率损害率;
Kn—当前实验条件下的渗透率的值;
Ki—地层原始渗透率。
速敏性是因流体流动速度变化引起储层内矿物迁移,堵塞孔喉而造成的渗透率下降的现象(张振成等,2004;邵东波和陈建文,2017;王玉霞等,2018)。分析发现,下石盒子组速敏指数0.15~0.44,渗透率损害率15.38%~44.12%,表现为弱、中等偏弱速敏,注入流体储层损害程度较低。山西组速敏指数0.16~0.31,渗透率损害率15.56%~31.11%,表现为弱、中等偏弱速敏,注入流体对储层损害程度较低。太原组速敏指数0.17~0.79,渗透率损害率21.0%~79.42%,表现为弱、中等偏弱和强速敏,注入流体对储层影响相对下石盒子组和山西组较强,三个层位的速敏性总体较弱。
水敏性是指当有与储层不匹配即矿化度低的外来流体进入后,引起黏土矿物的水化、膨胀、分散及迁移堵塞孔喉而导致储层渗透率下降的现象(宫清顺等,2012;廖纪佳等,2012)。水敏实验分析表明,下石盒子组水敏指数0.38~0.83,渗透率损害率38.46%~82.67%,表现为中等偏强、强水敏,表明储层水敏性较强。山西组水敏指数0.64~0.71,渗透率损害率63.51%~72.76%,表现为强水敏,表明储层水敏性更强。而太原组相对来说水敏指数0.32~0.89,渗透率损害率31.71%~89.40%,表现为中等偏弱、强水敏。储层水敏性差别较大,表明储层黏土矿物分布不均。
盐敏性是指当外来流体与地层水矿化度不匹配时,引起的黏土矿物水化、膨胀以及分散运移堵塞孔喉而造成储层渗透率下降(高波等,2005;Yin et al.,2017)。通过实验分析临界盐度的分布可知,下石盒子组临界盐度12.5~50 g/L,表现为弱、中等偏弱盐敏,表明注入流体对储层的损害程度较低。而山西组临界盐度24.19~40 g/L,表现为弱、中等偏弱盐敏,表明注入流体对储层的损害程度较低。太原组临界盐度10.8~40 g/L,表现为弱、中等偏弱盐敏,表明注入流体对储层的损害程度较低。总体而言,研究区三个层组盐敏偏弱,注入流体对储层影响较弱。
酸敏性是指储层注入酸液后,与矿物发生反应产生沉淀或使矿物颗粒脱落,导致储层渗透率发生变化(杨建等,2006;柳娜等,2008)。由实验分析结果知,下石盒子组酸敏程度0.06~0.8,渗透率损害率5.88%~80.15%,表现为弱、中等和强酸敏,以弱酸敏为主,表明酸液进入储层后对储层的损害程度由较高到低。山西组酸敏程度0.35~0.54,渗透率损害率36.24%~54.14%,表现为中等酸敏,表明酸液对储层的损害程度适中。太原组酸敏程度0.30~0.89,渗透率损害率30.03%~89.43%,表现为中等酸敏、强酸敏,以中等酸敏为主,表明酸液对储层的损害程度适中。
碱敏性是指高PH值流体注入储层与岩石和流体接触发生反应,地层岩石脱落迁移或产生沉淀堵塞孔喉导致储层渗透率下降(李云等,2014;王玉霞等,2018)。下石盒子组碱敏程度-0.20~0.68,渗透率损害率-20.10%~68.13%,表现为无碱敏、弱碱敏、中等偏弱和中等碱敏,表明碱液对储层的损害程度较弱。山西组碱敏程度0.27~0.42,渗透率损害率27.0%~42.10%,表现为弱、中等偏弱碱敏,表明碱液对储层损害程度较弱,较下石盒子组较强。太原组0~0.39,渗透率损害率0~38.66%,表现为无碱敏、弱碱敏,表明碱液对储层损害程度较弱。
造成储层敏感性的原因主要包括储层岩石矿物组成、孔喉结构以及自身流体性质等(尹昕,2005;李芳芳等,2012;李云等,2014)。本文在岩矿特征的基础上,分析储层敏感性与岩矿特征之间的耦合关系,以期为研究区油气资源后续开发提供指导。
通过前文研究发现,研究区岩石中不稳定组分较高,外来流体进入储层更容易发生物理化学作用,导致储层渗透率损害(盛帅英等,2016;康逊等,2017;王玉霞等,2018;崔璀等,2018)。通过图3(a)和图6 可以看出,山西组刚性的石英颗粒和碎屑组分含量最高,而下石盒子组和太原组含量相对较低,刚性的石英骨架颗粒支撑原有孔隙结构,外来流体的介入不易造成矿物颗粒的脱落而堵塞孔喉(赵梓彤,2015)。因此,山西组表现出较弱的速敏和水敏指数。储层长石含量较高时,酸性介质易与长石作用形成含钙沉积或者非晶质SiO2凝胶体,从而堵塞孔隙,或者在强碱介质下,容易产生新的硅酸盐沉淀物或硅胶凝聚物(张绍槐,1994;田永东和武杰等,2014),所以,山西组相对于下石盒子组和太原组由于长石含量较高,在酸性或者碱性介质的作用下更容易产生沉淀进而堵塞孔喉,因而表现出更强的酸敏和碱敏程度。
成岩矿物与储层敏感性存在着千丝万缕的联系,本文从储层基本特征出发,结合敏感性评价试验结果,分析其相关性(图7)。
4.2.1 速敏相关性
实验结果表明,储层速敏性与伊利石+绿泥石含量和高岭石含量存在较好的相关性。其中,伊利石+绿泥石与速敏指数弱正相关(图7a),高岭石与速敏指数弱负相关(图7b)。高岭石平均相对含量在下石盒子组为19%,山西组为10.8%,太原组为15.1%。伊利石平均相对含量下石盒子组为49.6%,山西组为26.0%,太原组为69.7%,伊利石含量太原组最高,山西组最低,与速敏指数存在较好的正相关性。进一步分析认为,高岭石粒径较小,小于孔喉直径,微粒被流体冲出形成“出砂”,高岭石不会堵塞孔喉,不是主要的速敏性因素。而伊利石和绿泥石含量较高,且伊利石主要呈片丝状产出,流速变化容易引起矿物颗粒脱落,在喉道处堆积,造成“桥堵”引起储层渗透率损害,是主要的速敏因素(李芳芳等,2012;盛帅英等,2016)。因此,太原组砂岩的高伊利石含量是影响速敏性最主要的因素。
图7 五敏指数与黏土矿物相关性曲线Fig.7 Correlation curves between“five-sensitivity”proxies and clay mineral contents
4.2.2 与水敏和盐敏相关性
现有研究中,黏土矿物遇水膨胀能力由强到弱依次为:蒙脱石、伊/蒙混层、绿/蒙混层、伊利石和绿泥石,高岭石遇水不膨胀(盛帅英等,2016;高翔,2017)。通过对研究区岩矿组成特征和相关性分析可以发现,绿泥石+伊利石含量与水敏和盐敏指数基本无相关性(图7c),伊利石和绿泥石遇水基本不膨胀,不是引起水敏和盐敏的主要因素;水敏和盐敏与伊/蒙混层含量表现出很强的正相关关系(图7d,e),说明伊/蒙混层由于水的介入,极易发生膨胀进而堵塞孔喉,另外矿化度的改变也会引起矿物颗粒迁移。因此,盐敏指数与伊/蒙混层含量相关性略高于水敏;水敏与高岭石含量弱负相关甚至没有相关性(图7f),这与高岭石的遇水稳定性是密不可分的。
4.2.3 与酸敏相关性
铁白云石和绿泥石会与酸发生反应产生沉淀或胶体,堵塞孔喉,产生酸敏效应(柳娜等,2008)。下石盒子组几乎不含铁白云石,山西组铁白云石含量为3.1%,太原组为4.7%。结合图4d可知,铁白云石是造成酸敏的主要碎屑组分。黏土矿物中,绿泥石含量与酸敏指数进行相关性分析,可知绿泥石与酸敏指数表现出正相关关系(图7g)。
铁白云石与酸反应主要表现为,氢氟酸与含钙矿物(这里指铁白云石)生成氟化钙沉淀,从而堵塞孔喉,降低储层渗透率。绿泥石的酸敏性表现在含铁矿物与酸作用,会膨胀迁移,生成氢氧化铁胶体,进而堵塞孔喉,降低储层渗透率(邵东波和陈建文,2017)。实验样品中山西组发现局部高含量的方解石,判定为方解石脉,但是方解石与酸反应不会产生沉淀。
4.2.4 与碱敏相关性
本文4.1节已经指出石英、长石类矿物的碱敏性,这里主要研究黏土矿物的碱敏性。高岭石与碱敏指数表现出很好的正相关性(图7h),而伊利石+绿泥石和伊/蒙混层与碱敏指数基本没有相关性,说明黏土矿物中主要的碱敏矿物是高岭石,与碱发生反应堵塞孔喉,对储层造成伤害。有学者认为,强碱进入储层后会影响黏土矿物颗粒表面电荷分布,发生物理反应,导致颗粒分散运移堵塞孔喉(Mohnot et al.,1987),从伊利石+绿泥石与碱敏指数的相关性可以看出来,两者之间仅仅是表现出微弱的负相关性,并没有产生储层碱敏性。
通过前文研究,本文从研究区下石盒子组、山西组和太原组的岩矿组成特征入手,结合储层敏感性实验数据,分析了岩石学特征和矿物学特征与储层敏感性之间的相关性,但是研究区不同层位间其储层敏感性因岩矿组成和地质环境的不同也会存在一定的差异。
4.3.1 速敏性
通过敏感性实验分析数据,分析在不同驱替速度下研究层组不同层位间渗透率比值的差异(图8a),结果发现山西组>下石盒子组>太原组,说明相比较而言,太原组渗透率损害值更大,相对更加敏感。结合三个层组相关性分析结果及岩矿组分含量,太原组由于有更高含量的伊利石,流速的改变会使伊利石矿物颗粒脱落,当孔喉较小时,会在孔喉处发生堵塞,使得渗透率下降,具有更强烈的速敏性。下石盒子组和山西组伊利石含量相对较低,渗透率比值均高于太原组,速敏性略低。
4.3.2 水敏性
在不同矿化度注入条件下,不同层位样品渗透率比值的变化(图9a),可以看出下石盒子组渗透率损害率最大,太原组最小。结合相关性分析结果及岩矿组分含量可知,水敏性与伊/蒙混层含量正相关,下石盒子组具有更高含量的伊/蒙混层矿物,遇水易膨胀或迁移,在孔喉处堆积发生堵塞产生水敏性,导致下石盒子组水敏性最强,山西组和太原组相对较弱。对于选取不同样品,其结果略有偏差,说明了储层非均质性强。
图8 不同层组渗透率比值变化规律曲线Fig.8 The variation curves of permeability ratio from different layers
图9 不同层组渗透率比值变化规律柱状图Fig.9 Histogram showing variations of permeability ratio from different layers
4.3.3 盐敏性
分析不同层位样品注入不同矿化度地层水,渗透率比值的变化曲线,可以定性分析其储层水敏性(图8b),其中下石盒子组最低,太原组渗透率比值最高,说明渗透率损害率依次降低。与水敏类似,下石盒子组有更高含量的伊/蒙混层,一方面遇水膨胀,堵塞孔喉;另一方面,矿化度的改变会使伊/蒙混层发生迁移,在孔喉处堆积发生堵塞,因此,下石盒子组盐敏性最强,相应的山西组和太原组相对较弱。对于不同样品的选择,其结果略有偏差。
4.3.4 酸敏性
储层酸敏性研究,一般采用注酸前后渗透率比值的变化来反映储层酸敏性。通过酸敏性实验分析(图9b),山西组注酸后渗透率比值最低,说明山西组渗透率损害最多,储层酸敏性最强。同理,下石盒子组注酸后渗透率比值最高,渗透率损害最少,储层酸敏性最弱。前文指出,酸性介质与绿泥石或铁白云石反应产生沉淀或胶体堵塞孔喉产生酸敏效应。山西组绿泥石含量并非最高,铁白云石含量虽然相对较高,但与太原组相差不大,说明储层酸敏性除了与绿泥石和铁白云石有关外,必然存在其他的影响因素,在下文具体指出。
4.3.5 碱敏性
采用不同PH碱液注入样品的方法可以研究储层碱敏性(朱华银等,2012)。山西组渗透率比值最低,说明储层碱敏性最强,相应的太原组最弱。碱敏性主要是石英、长石等碱敏矿物与碱液反应产生沉淀堵塞孔喉,对渗透率造成损害,或者含铁矿物反应产生铁质胶体堵塞孔喉。结合相关性分析及岩矿组成研究,山西组长石和石英含量略低于下石盒子组,高岭石也略低,铁白云石含量较高,这也说明碱敏酸敏类似受其他因素控制(图8c)。同样的,不同样品之间实验结果略有差异,均表明储层非均质性强。
山西组孔隙度和渗透率相对于下石盒子组和太原组拥有更差的储层物性和孔隙结构。而储层敏感性中,无论是速敏、水敏、盐敏、酸敏和碱敏,都是由于外界条件的变化,引起矿物颗粒脱落或是产生沉淀进而堵塞孔喉,从而产生所谓的储层敏感性。由此可知,如果储层物性越差,孔隙结构以细孔喉为主,矿物颗粒脱落或是产生沉淀更容易堵塞小孔,进而引发储层敏感性。
在储层孔渗特征和孔隙结构的基础上,结合不同组储层敏感性的研究。结果表明,山西组砂岩具有更差的孔隙度和渗透率,较细的孔喉结构,相应的储层敏感性也会受其控制。也就是说,由于外界的条件的改变,矿物颗粒的脱落或是沉淀更容易堵塞孔喉,产生储层敏感性。相应的下石盒子组和太原组砂岩因为孔渗特征和孔隙结构相对山西组较好,因而相对于山西组储层敏感性也相对较弱。
其中,速敏、水敏和盐敏受储层孔隙结构影响较弱,酸敏和碱敏受储层孔隙结构影响较强。山西组酸敏和碱敏相对于下石盒子组和太原组敏感性最强,机理上与敏感性矿物反应导致矿物颗粒脱落或是沉淀堵塞孔喉有关。山西组敏感性矿物含量并非最高,孔隙结构是最差的,酸性或碱性介质反应后,会产生沉淀或胶体,使得窄喉道更容易被堵塞,酸敏和碱敏最强。不同层位对于储层敏感性的影响,是一个受多因素影响的结果,需要进一步定量化不同尺度下敏感性的控制因素,在未来的研究中将展开更深入的分析。
通过储层敏感性实验分析数据,利用临界渗透率与初始渗透率的比值计算其储层敏感指数,分析其敏感性强弱,然后引入渗透率比值的参数,比较不同层位间储层敏感性的差异,得到如上结果,其结果虽然略有偏差,但是与储层敏感性及与岩矿特征和孔隙结构特征的相关性研究结果基本相吻合,说明实验数据可信度较高,能够较好地反映不同层位由于岩矿组成和水岩相互作用的差异而导致的储层敏感性的差异。
(1)临兴地区上古生界下石盒子组、山西组和太原组主要岩石类型以岩屑砂岩、岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩和长石砂岩为主,以细粒和中粒为主。黏土矿物主要为伊利石、高岭石、绿泥石和伊/蒙混层,绿/蒙混层几乎不发育。具有低孔低渗的特征,孔隙结构较差,窄喉道占优势。
(2)致密砂岩速敏总体表现为弱—中等偏弱;水敏总体表现为中等偏弱—中等偏强以及强水敏;盐敏表现为弱—中等偏弱;酸敏总体表现为中等、中等偏弱以及弱酸敏;碱敏则总体表现为中等偏弱—弱。
(3)不同层位间不稳定矿物和黏土矿物含量的差异造成不同层位敏感性差异。速敏性太原组最强,山西组最弱,与伊利石+绿泥石和高岭石含量表现出相应的相关性。水敏性下石盒子组最强,太原组水敏性最弱,与伊/蒙混层含量正相关。盐敏性与水敏性类似,与伊/蒙混层含量表现出正相关性,略有起伏,与矿物颗粒脱落相关。酸敏性以山西组最强,下石盒子组最弱,与绿泥石和铁白云石矿物正相关,也与较差的孔隙结构有关。碱敏性以山西组最强,太原组最弱,受长石、石英和高岭石含量影响,主要与较差的孔隙结构有关。