硬石膏胶结的低渗透砂岩油藏水敏性伤害的微观机理

董沅武， 柳建新*， 牟莎莎， 陈金建， 刘 航

(1.长江大学石油工程学院， 武汉 430100； 2.中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院， 武汉 430035)

低渗透砂岩油藏在全球油气资源发展中占有重要地位[1]。与常规砂岩油藏相比，低渗透砂岩油藏的特殊性[2-3]决定了储层开发过程中一般需要一定的增产措施才能获得工业产能[4-5]。水力压裂是低渗透砂岩油藏增产的有效方式，但是压裂增产效果受多种因素影响[5]，了解储层伤害机理，对储层进行有目的性的保护有重要的研究意义。

文献[6-8]通过敏感性评价试验方法对含江汉油田硬石膏胶结的低渗透油藏注水开发过程中储层伤害机理进行了研究，认为主要伤害机理是黏土矿物水化膨胀的结果，但这与该区块黏土含量普遍较低不符合。以往研究中较少考虑压裂过程中硬石膏对储层伤害的影响，难以有效解决压裂增产效果较差的问题。为此，结合相关地区地质资料，并以江汉油田江陵凹陷目标油藏的天然岩心为研究对象，同时结合薄片分析、原位扫描电镜等方法从微观角度对储层伤害机理进行分析，并提出解决措施。

1 储层特征

1.1 区域地质概括

江陵凹陷构造位置处于江汉盆地的西部，是江汉盆地最大次级构造单元，整体上是在前白垩系地层基底上发育起来的断坳型沉积凹陷，以河流—三角洲—湖泊的陆相沉积体系为主[9]。新沟嘴组沉积期具有“盆缓、水浅、咸化、源远”特征，整体水介质的古盐度较高，膏盐大量发育。

表1 地层流体组成

1.2 敏感性评价

江陵凹陷储层敏感性评价结果如图1所示，整体呈现出中偏弱-弱盐敏、水敏、酸敏，占50%～90%；其次为无碱敏-弱-中偏弱、弱-中偏弱速敏储层，占40%～42%；中偏强-强速敏、酸敏、碱敏储层占28%～40%。因此该区块易发生储层伤害。

图1 江陵凹陷储层敏感性评价柱状图

2 岩石矿物组成及孔隙特征

2.1 岩石矿物组成

对目标储层段取心岩石薄片统计分析(图2)及X射线衍射(表2、表3)结果认为，储层为含钙硬石膏胶结的含云质鲕粒细粒长石砂岩；从岩石结构构造上可以看出胶结物具片状—细晶结构的细砂状构造，块状构造；储层矿物组分以石英细砂、斜长石砂屑、白云石粒屑、钾长石砂屑、硬石膏、方解石为主。储层砂岩中泥质杂基含量低，一般零星分布在砂屑间隙中；胶结物含量较高，为23%左右，多为硬石膏、方解石、玉髓团粒等。

图2 岩矿薄片分析

表2 岩石矿物成分分析

表3 岩石黏土矿物相对含量分析

图3 未水化岩样微观形貌(喷金样品)

2.2 孔隙特征

根据压汞试验结果分析表明，目标储层段油层最大孔喉半径在3.49～5.06 μm、平均孔喉半径在0.945～1.01 μm、中值孔喉半径在0.756～1.14 μm，孔喉分选性较好，分选系数介于0.5～1；平均孔隙度为12.25%；平均渗透率为5.0 mD。结合薄片分析(图2)和扫描电镜分析(图3)可以发现该储层喉道细、孔隙小、连通性差，渗透率低，目标储层段储层物性差。

根据薄片、扫描电镜、X射线衍射和岩化分析认为，储层中黏土矿物含量较低，其中伊利石与绿泥石相对含量为1.0%，在薄片中只发现些许绿泥石，水敏性矿物硬石膏作为胶结物普遍存在，且碳酸盐矿物的析出也可以由石膏的水化放热导致CaCO3溶解度降低，从溶液中析出。同时在岩粉膨胀率试验中可以发现纯水水化后，随着时间的变化，膨胀率几乎不变，可得出硬石膏水化膨胀及分散/运移、溶解再沉淀可能是目标所在储层产生水敏损害的主要原因。而储层中少量的黏土矿物的膨胀和运移可能是储层水敏性损害的次要原因。

3 储层水敏伤害机理研究

3.1 储层敏感性分析

敏感性试验参考行业标准《储层敏感性流动实验平价方法》(SY/T 5358—2010)进行，选用目标储层天然岩心。由试验结果(表4)可知，该储层具有弱-中等的速敏、水敏、酸敏及中-偏强的盐敏。存在水敏性矿物，是弱水敏的原因。

表4 敏感性试验结果

表5 岩心水敏排出液组成

从而堵塞储层，因此储层水敏损害较试验测得程度偏大。经检测微粒的主要成分是石英和其他非黏土矿物，基本上不含黏土矿物，可能正好说明黏土矿物不易被运移出被来容易堵塞在喉道中。

3.2 原位电镜扫描试验

为进一步深入研究目标储层岩石的伤害机理，利用蔡司EVO-18扫描电镜对岩样水化前后进行电镜扫描，通过原位微观形貌分析试验从微观角度分析水化对储层岩石的伤害机理。在不同放大倍数下观察岩样水化前后表面、孔喉、裂缝的变化。

3.2.1 试验方法

为清晰方便的观测到水化前后岩样同一位置形貌的改变，将待测储层段岩心洗油后，切割成直径25 mm、厚度为5 mm的圆柱体岩样。并将岩样待测面进行打磨抛光，同时做好标记，以便处理前后岩样特征点观测位置保持不变。由于岩样需要表面不喷金处理，在观测过程中可通过调节电流大小增加图片清晰度。

参照仪器使用说明进行测试，原始岩样在放大一定倍数下选取3～5个特征点。观测结束后，将原始岩样置于纯水中浸泡24 h，再将纯水浸泡后岩样放置与40 ℃鼓风干燥箱中干燥处理，对纯水浸泡后岩样进行原位微观形貌分析。

3.2.2 水化过程对岩石微观形貌的影响

图4、图5为处理前后的岩样使用钨灯丝扫描电镜下放大270倍的微观形貌图。从图4、图5可以看出来，水化前后岩样发生了细微的变化，高倍数条件观察孔隙喉道处(a、b、c)的微观形貌，原始岩样表面可见明显的渗流通道；蒸馏水浸泡后岩样部分发生溶解水化(c1)，水化膨胀孔喉裂缝宽度变窄甚至消失(b3、c3)，在表面附着些许的细小岩石微粒(a3、b1、c2)，部分孔喉处出现颗粒堵塞或颗粒脱落(a1、a2、b2)的现象。表面水敏伤害一方面降低了喉道尺寸进而降低了渗透率，另一方面岩石微粒脱落还可能造成微粒的运移。可以直观观察到处理前后储层损害的全过程，为储层伤害微观机理研究提供了有效的试验依据。

图4 岩样特征点水化前的微观形貌

图5 岩样特征点水化后的微观形貌

4 储层伤害微观机理分析

低渗透储层由于具有孔喉狭小、富含敏感性矿物等特殊性，储层伤害异常敏感，在开发过程中容易造成二次伤害。在关注入井流体对黏土矿物的影响的同时，还因关注敏感性非黏土矿物的影响，其中硬石膏胶结会造成储层微观孔隙分布不均匀及降低渗流能力，石膏的水化膨胀和溶解再沉淀是造成储层水敏损害的主要原因之一。

4.1 硬石膏的水化膨胀机理

硬石膏属于典型的水敏性非黏土矿物[10]，水的渗入是导致硬石膏体积膨胀的根本原因。储层中硬石膏水化方程式为

(1)

(2)

(3)

首先水会进入CaSO4晶格之间，会形成了水化膜夹层引起晶格扩张，岩石体积膨胀；然后当水继续与CaSO4作用，会生成了石膏(CaSO4·2H2O)，晶体结构增大，岩石体积膨胀。图4、图5的原位扫描电镜测试水化前后岩片微观形貌的改变(b3、c3裂缝变窄)，在储层中作为胶结物硬石膏体积膨胀后，会导致原渗流通道变窄，另外水化后石膏强度降低，易从岩石体中脱落运移，堵塞渗流通道，导致储层渗透率降低。水压是影响水渗入过程直接外因，水压的大小会影响硬石膏的含水状态，随着水压的增加，硬石膏的吸水率增大，硬石膏的膨胀速率加快[11]，由于膨胀完成后的石膏岩体在长期水作用下强度明显降低，不利于长期稳定。

4.2 硬石膏的溶解和沉淀机理

石膏水化属于放热过程，有利于岩样中石膏的溶解。常温下每1 L纯水可溶石膏2 g，含有钾、钠盐水溶液中，其溶解度略有增高[12]。40 ℃以上时，随温度升高，溶解度逐渐降低，一般来说石膏在低pH和高压条件下更容易溶解。

图4的原位扫描电镜测试水化前后岩片微观形貌的改变(c1水化后具有明显的溶解水化现象；a3、b1、c2水化后表面附着些许细小的颗粒；a1、a2、b2水化后砂砾脱落现象)，在入井流体注入地层过程时会对地层流体组成、温度压力、岩石(新产生的界面)都会产生影响，实际上是一个地层条件下溶解—沉淀的再平衡过程。伴随着温度压力改变，低矿化度流体的进入(原有的化学平衡被打破)，致使地层流体中离子强度降低，石膏溶解度降低，石膏析出(地层结垢)，堵塞孔喉[13]，同时硬石膏作为胶结物，它的溶解也会带来砂砾脱落，从而导致微粒堵塞。值得一提的是在低矿化度流体进入储层后，由于CaCl2在溶液中含量较低(3.21 g/L)，其同离子效应影响较弱(增加石膏溶解度)，离子强度(降低石膏溶解度)是影响硬石膏溶解的主导因素。此外伴随着矿化度降低，CaCO3溶解度也会随之降低，CaCO3会从溶液中析出，堵塞孔喉，降低储层的渗透率。

针对硬石膏胶结低渗透油藏开发要采取相应的措施，不仅应加入合适的黏土稳定剂降低黏土矿物水化膨胀的影响，还应加入合适的阻垢剂，防治石膏引起的储层伤害问题。

4.3 黏土矿物的水化膨胀和运移

不同黏土矿物对储层会造成不同的损害影响，同时黏土矿物产状也会有不同的损害影响。由X射线衍射可知，目标储层中主要存在伊利石，伊蒙混层和绿泥石。结合相关研究可知，黏土矿物水化后层间距变大，导致孔隙变小，失稳后脱落的黏土矿物和砂粒运移，则会堵塞喉道，降低储层渗透率，造成储层伤害。

当低于临界饱和度的外来流体进入储层与伊利石接触后，地层流体矿化度会降低，溶液溶解度升高，使伊利石晶片之间的连接力减弱，增加扩散层间距，斥力增加，导致伊利石失稳，脱落，分散运移，堵塞喉道。水敏矿物的水化前后矿物晶层间距的变化能分析水敏损害大小，可以从微观上解释清楚黏土水化膨胀。

5 结论

(1)微观机理研究证实，江陵凹陷硬石膏的低渗透砂岩油藏压裂过程中，硬石膏水化膨胀及分散/运移、溶解再沉淀导致的水敏损害是储层伤害的主要原因。

(2)压裂作业导致储层的温度、压力及地层流体矿化度等变化会改变地层原有水敏性矿物的溶解—沉淀平衡条件。

(3)对具有明显成垢倾向的储层进行压裂作业时，不仅需要加入黏土稳定剂降低黏土矿物水化膨胀的影响，同时还需要加入合适的阻垢剂降低储层伤害。

(4)对硬石膏胶结的低渗透储层开发过程中因采取相应的措施，防治石膏引起的储层伤害问题。