非常规油气储层敏感性评价方法

徐加放，李爱华，黄维安，王晓璞，付 静

（1.中国石油大学（华东） 非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580；2.中国石油大学（华东） 石油工程学院，山东 青岛 266580；3.油田化学山东省重点实验室，山东 青岛 266580）

石油和天然气作为一种战略性能源，与一个国家的经济发展和社会民生密切相关。随着我国对石油和天然气需求的快速增加，对外原油依存度逐年提高，2018 年已高达69.8%[1]，远超过国际公认的50%安全警戒线。与此同时，由于储层敏感，钻井、完井、压裂、注水等所引起的油气层损害造成大量油气滞留地下而不能开发利用。油气储集地层在遇到与自身性质差别较大的外来流体时，即与之发生物理化学反应，称为储层敏感。上述反应通常会造成油气储层渗透率的降低，从而减缓或阻碍油气从地层流入井眼，即油气层损害。储层敏感性评价就是利用一定的实验方法和手段来测定一种或不同外来流体对储层渗透率造成的伤害程度，从而为油气钻井、完井、酸化、压裂、注水等作业过程如何减少储层伤害提供技术支持和理论依据[2-5]。因此，储层敏感性实验一直是石油工程、海洋油气工程、油气集输工程、探矿工程等专业本科生的必修实验之一。

1 非常规油气储层敏感性评价方法建立的必要性

储层敏感性评价是指利用一定的实验方法来测定某种外来流体对储层岩心渗透率造成的伤害程度，从而为现场钻井、完井、注水等作业施工提供技术支持和理论依据[1-4]。对于常规储层敏感性的评价方法，已经在大量研究的基础上建立起了相对完善的标准流程（《SY/T5358-2010 储层敏感性流动实验评价方法》）。

随着煤层气、疏松砂岩油气、页岩油、页岩气等非常规油气储层的勘探开发，标准柱状岩心的获取越来越困难，常规的流动实验法已不再适合。为此，许多专家进行了大量探索性的研究工作。王军鹏[5]结合研究区储层物性及岩石学特征，得出储层潜在敏感因素为应力敏感、速敏、酸敏和水敏的结论。Wang 等[6]利用物理模拟方法研究了褐煤储层在应力和地层水条件下的流速敏感性，发现不同因素引起的流速敏感性机制存在差异。Tao 等[7]通过研究速敏产生的煤粉对煤层气（CBM）井生产的影响，发现流速和注入体积越大，渗透率损害率越大。Wang 等[8]通过实验发现不同pH 值的褐煤储层具有不同程度的水敏损害，在酸性条件下，褐煤储层的无量纲渗透率随盐度的增加而增加。王玲[9]通过实验发现青龙台油田疏松油层具有弱-中等偏弱速敏，中等偏强-强水敏，中等偏弱酸敏，中等偏强-强碱敏的特点；张学友[10]研究发现冷冻弱胶结砂岩的强度较低，化冻后极易松散，取心较为困难。但上述研究均基本未突破实验对柱状岩心的依赖，无法按照相关标准完成所规定的测试内容[11-12]。为此，有必要建立一种非常规油气储层敏感性评价方法。

2 非常规油气储层敏感性评价方法建立的理论依据

2.1 理论依据

储层敏感[9,12-13]主要是由于储层岩石和/或流体与外来流体不配伍而产生的各种物理化学反应造成的，而黏土矿物由于其颗粒细小、吸水能力强、分散性好等特点，是造成储层敏感的主要潜在因素。回收率实验[14-16]是将一定粒径大小的岩心颗粒与待测液体进行反应，并用一定目数的筛布进行回收，通过测定反应前后的岩心质量变化来判断其对测试液体的敏感程度，通常被用来测定泥岩的水敏特性，是井壁稳定性的表征参数之一。同样，与测试液体发生反应、造成岩心质量变化的主要矿物也是黏土矿物。

因此，回收率法测定岩心反应前后的质量变化与流动实验法测定储层敏感性变化具有相同的潜在影响因素。

2.2 实验步骤与计算方法

测定井壁稳定性的回收率实验通常采用5～10 目岩心与待测液体进行反应，然后用40 目筛进行回收，但非常规储层岩心本身已经很碎小，因而需要对回收率实验方法进行一定改进，其实验操作如下。

（2）配制反应溶液，把干燥后的样品放入溶液中，在恒温（储层温度）水浴中反应2.5 h，然后用滤纸进行过滤，得到残渣并置于恒温（105 ℃）干燥箱内干燥24 h，取出，于干燥皿中冷却12 h，并称重。

（3）通过公式（1）计算岩心回收率。

式中，rR 为回收率，%； X1为反应前岩样的质量，g；X2为反应后岩样的质量，g。

（4）配制不同的实验溶液，重复上述步骤，计算回收率。

（5）利用公式（2）计算相对回收率。

由于观测值中带有少量粗差，在数据预处理时，使用拉依达准则将粗差剔除。求出一组观测数据的平均值和标准误差估计值(即中误差)，该组数据中的每个数与平均值相减，将差值的绝对值大于3倍中误差的数据剔除。某次实验数据的粗差统计结果见表2，其中包括样本总个数、平均值和标准差、统计出的粗差个数和剔除粗差后的平均值，剔除粗差后的数据可用于后续研究。

2.3 评价指标确定

根据《SY/T5358-2010 储层敏感性流动实验评价方法》，结合不同岩石类型矿物组分含量，在大量实验结果分析的基础上，本文给出了利用改进回收率法评价煤层、疏松/未胶结砂岩储层等非常规油气储层酸敏、碱敏和盐水敏的敏感性指数，如表1 和表2 所示。

表1 煤储层回收率评价指标 %

表2 砂岩储层回收率评价指标 %

同样，通过实验井回收率与临井流动实验进行对比，给出回收率法评价储层敏感性的评价指标。

由于煤岩及弱胶结砂岩易碎，取得符合流动实验要求的岩心比较困难，并且该研究方法处在试验研究阶段，数据有限，推荐的相对回收率对应的评价指标有待于通过更多的实验进行更精确划分。

3 实验结果与分析

3.1 岩心物性

首先利用Pert PRO MPD X-射线衍射仪[16]分析煤岩及弱胶结砂岩矿物组成及相对含量，以确定储层的基本物性，分析其潜在敏感因素。其结果如表3—6 所示。

表3 煤岩工业分析测试表 %（空干基）

表4 煤样的X-射线衍射分析结果 %

表5 砂岩岩心全矿物分析结果 %

表6 砂岩岩心黏土矿物分析结果 %

煤的工业分析中的灰分是煤中含有的黏土矿物在特定条件下转变而成的[17]，其含量可反映煤中的矿物含量[18]，由表3 可以看出，岩心灰分含量所占比重整体较大，表明其矿物成分含量较高，是造成储层敏感的主要因素。表5 及表6 可知，砂岩储层矿物成分复杂，组成差别较大，但均有一定量的黏土矿物，在储层钻探、开发过程中有可能会与外来流体发生反应，造成酸敏、碱敏及盐水敏现象，进而改变储层渗透率，影响产能。

3.2 煤岩相对回收率与渗透率之间的关系

对所取煤层岩心分别进行回收率和流动实验（取心十分困难，成功率只有不到1/10），分别测定其酸敏、碱敏以及盐水敏感性。其中，回收率实验按照节2.2 进行，流动实验按照石油行业标准（SY/T5358-2010）进行。

3.2.1 酸敏

本文对选取的岩心用标准溶液和在浓度为12%的盐酸中分别加入1%、2%、3%、4%氢氟酸的溶液中进行回收率实验和流动实验，其实验结果如图1 所示。

通过观察相对回收率曲线发现4 块岩心的相对回收率随着酸液浓度的上升都呈下降趋势，渗透率随酸液浓度增加呈上升趋势，与相对回收率成反比关系。因此，可以通过相对回收率来判断岩心渗透率的变化。

3.2.2 碱敏

在回收率实验中，每种岩心用8%的KCl 溶液和pH 值分别为9.45、10.76、12.09、13.45 的溶液测量。另外，用相同pH 值的溶液对4 块岩心进行流动实验，与回收率实验进行对比，其实验结果如图2 所示。

通过观察相对回收率和渗透率曲线发现，随着pH值的增加，4 块岩心的相对回收率与渗透率变化趋势大体一致，呈明显的正相关关系。因此，回收率可在一定程度上反映岩心渗透率在碱液中的变化规律。

3.2.3 盐水敏

在回收率实验中，每种岩心用盐浓度分别为0%、1%、2%、4%、8%的溶液测量。同时，用相同盐浓度的溶液对四个区块岩心进行流动实验，与回收率实验进行对比，其实验结果如图3 所示。

通过相对回收率曲线可知，随着盐水矿化度的升高，其相对回收率和渗透率两种曲线均呈上升趋势，呈现出正相关关系。因此，相对回收率亦可在一定程度上反映渗透率在盐溶液中的变化规律。

3.2.4 相对回收率与渗透率的变化关系

通过以上分析可知，相对回收率和渗透率具有明显的相关性，与酸浓度呈负相关，与碱浓度和盐浓度呈正相关。对相对回收率和渗透率变化率之间的关系进行计算分析并拟合，其结果如图4 所示。

图1 煤岩心酸敏实验结果

图2 岩心碱敏实验结果

图3 岩心盐水敏实验结果

图4 岩心酸敏、碱敏和盐水敏相对回收率与变化率关系曲线

由图4 可以分别得到酸敏、碱敏和盐水敏相对回收率与渗透率变化率之间的关系式，表示如下：

式中，ya、 yb、 yc分别为酸敏、碱敏以及盐水敏的渗透率变化率，%；x 为对应的相对回收率，%。

经过计算，3 个公式的R2分别为：0.87、0.86 和0.80，说明相对回收率与渗透率变化率之间的关联性较好，可以通过改进的回收率方法来预测煤层气储层渗透率的变化程度，对其敏感性做出判断。

3.3 疏松/未胶结砂岩相对回收率与渗透率之间的关系

为进一步确定该方法的普适性，对疏松/未胶结砂岩储层进行了测试（岩心胶结状况见图5，矿物分析结果见表5 和表6），实验结果如图6 所示。

图5 实验储层油砂

图6 实验结果

回收率实验结果表明，该岩心的临界酸液浓度为3%，强酸敏；临界pH 值为10，中等偏弱碱敏；临界矿化度为2%，中等偏强盐水敏。由于该岩心无法获取柱状样品（若人为压制则必将改变岩心性状，测试结果亦将不具代表性），只能与临井有限的测试结果进行对比。由于取心困难，临井资料亦非常有限，只查到了两口井的酸敏值，其中临井1 酸敏损害率59.2%，为中等偏强酸敏；临井2 酸敏损害率89.0%，为强酸敏，与本实验结果具有很好的一致性。

4 结语

（1）随着煤层气、疏松砂岩油气等非常规油气的勘探开发，传统的储层敏感性评价方法-岩心流动法，已不再完全适应储层特性，急需进行改进。

（2）煤层气、疏松砂岩油气储层等均含有一定量的黏土矿物，具有发生酸敏、碱敏、盐水敏等敏感性的物质基础，具备利用回收率法对其敏感性进行评价的可行性。

（3）改进的回收率法测定储层酸敏、碱敏、盐水敏等结果与流动实验具有很好的相关性，说明该方法可以应用于煤层气、疏松砂岩油气等储层的敏感性评价中。

（4）本文所建立的改进回收率法测定储层酸敏、碱敏和盐水敏特性，具有理论依据充分，操作简单，可行性强等特点，顺应了技术发展趋势，是对常规流动实验的有益补充。