准噶尔盆地玛南地区上乌尔禾组储集层伤害机理

周伟，沈秀伦，寇根，魏云，蒋官澄，杨丽丽，张远凯

（1.中国石油 新疆油田分公司a.实验检测研究院；b.砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

准噶尔盆地玛湖凹陷油气勘探潜力巨大，二叠系上乌尔禾组是玛南地区的主力产层，具有很好的勘探前景。上乌尔禾组储集层埋藏深，天然裂缝发育程度低，具有压力系数高、应力高等特点；岩性主要为块状砾岩和含砾粗砂岩，以砾状结构为主[1-2]。此外，岩心极易泡散，液体易与储集层相互作用，造成储集层伤害，影响压裂施工的效果，降低油气产量[3-5]。因此，需要深入研究储集层特征、流体特征、压裂液与储集层作用机理，找出造成储集层伤害的主控因素，提出降低储集层伤害的方案。

传统的储集层特性分析方法主要有铸体薄片法、X 射线衍射法、扫描电镜法、压汞法等[3-5]；用于测试压裂对储集层伤害的实验方法主要有恒速压汞、岩心基质渗透率伤害测定、敏感性、表面和界面张力、线性膨胀测试等[6-8]。前人在此基础上对油层开展了较多的评价[6，9-10]，常规的分析方法对岩心的伤害严重，使实验误差增大。此外，由于可视化能力的限制，不能直观表现伤害发生的位置和程度，无法定量表征储集层伤害程度及孔隙变化特征，进而难以分析伤害产生的具体原因。

X 射线显微CT 技术是一种用来进行无损检测的技术，随着计算机工业的发展，CT 扫描系统性能不断提高，在石油工业许多领域得到广泛应用[11-12]。CT 扫描系统在岩石不被破坏的状态下进行岩石物理参数的测量与描述，测量孔缝和喉道的尺寸，应用球棍模型[13-14]和阈值分割法[15-18]分析岩心结构、流体分布状态、黏土矿物形态等[19-20]。但目前关于X 射线显微CT 技术用于砾岩储集层伤害机理分析的研究鲜有报道。本文利用宏观浸泡、微观扫描电镜及X射线显微CT 技术，对准噶尔盆地玛湖凹陷玛湖1 井区砾岩储集层伤害机理进行研究分析，得到岩心不同截面上的孔隙度分布，并应用三维重建技术得到岩心的三维孔隙变化。应用统计学方法和最大球算法，对不同截面上测量的孔隙度进行定量分析与表征，研究岩心不同截面上孔隙和喉道变化特征。为研究压裂液伤害提供试验手段和理论依据，进而有针对性地提出保护建议，为后期进一步研究和油田开发奠定基础。

1 实验

1.1 设备和材料

实验样品取自玛湖1 井区克206 井3 685.02 m 处岩心，气测孔隙度为6.58%，气测渗透率为1.38 mD。实验用液体包括：现场胍胶破胶压裂原液；去离子水；模拟地层水，CaCl2水型，矿化度为13 681～36 993 mg/L；无水乙醇，分析纯（纯度≥99.5%），北京伊诺凯试剂有限公司；3#白油，分析纯，上海倍特化工有限公司。所用设备主要有：nanoVoxel-4000 系列高分辨率X 射线三维显微镜，分辨率0.5 μm，天津三英精密仪器股份有限公司；CPZ-2 双通道线性膨胀仪，测量范围0.25 mm，分辨率0.01 mm，青岛同春石油仪器有限公司；岩心气测渗透率仪，海安县石油科研仪器有限公司；蔡司Merlin 型FE-SEM 场发射扫描电镜，放大倍数12～2 000 000，分辨率0.8 nm，德国蔡司公司。

1.2 岩心浸泡实验

对岩心样品进行洗油后，在100 ℃干燥箱中干燥24 h，按照玛南地区乌尔禾组地层水配置模拟地层，胍胶破胶压裂液采用现场原液。称量150 mL 的去离子水、模拟地层水、胍胶破胶压裂液、无水乙醇和3#白油置于不同烧杯中，将同一深度的岩心样品放入其中浸泡6 h。参考中国石油天然气行业标准SY/T 5971—2016《注水用黏土稳定剂性能评价方法》测试矿物组成分析、线性膨胀率等性能数据。对干燥后的岩心样品，在常温常压下，用不同液体浸泡6 h。

1.3 组分微观分析

测试所用仪器为Merlin 型FE-SEM 场发射扫描电镜。实验步骤如下：对岩心洗油并在100 ℃干燥箱中烘干24 h，然后切割成边长为5 mm 的正方体，对表面进行抛光处理；在样品表面镀膜，对原始岩心表面进行观察并采集数据；用胍胶破胶压裂液进行污染伤害并自然晾干，对污染后的岩样进行数据采集；最后，利用矿物自动分析软件AMICS 和超大面积高分辨成像软件Aas，实现矿物自动分析和识别处理。

1.4 CT扫描

测试所用仪器为nanoVoxel-4000 系列高分辨率X 射线三维显微镜，精度可达0.5 μm，高分辨率X 射线三维显微镜是利用微焦点射线源发射的锥形X 射线穿透物体后投影到探测器上，同时让样品相对射线源和探测器进行360°旋转，采集上千帧X 射线衰减的图像[15，21-22]。然后，利用计算机断层扫描成像重构方法进行三维重构，从而得到样品的三维立体模型，通过构建孔隙网络模型定量提取，取得表征地层岩石孔喉的参数[14，23]。

2 结果与讨论

2.1 储集层及流体特征

（1）储集层特征 玛南地区上乌尔禾组储集层岩性主要为块状砾岩和含砾粗砂岩，砾石成分主要为凝灰岩、安山岩和泥质板岩，粒径普遍大于2 mm，分选较差，颗粒支撑，以砾状结构为主；胶结物含量为0.25%～2.25%，主要为方解石，以孔隙式和压嵌式胶结为主；杂基主要为泥质，自生黏土矿物发育，含量为14.7%，主要是蒙脱石，相对含量达到96.0%。储集层有效孔隙度为1.47%～14.36%，平均为7.37%；渗透率为0.02～37.86 mD，平均为1.58 mD，属于低孔低渗储集层。

（2）流体特征 玛南地区上乌尔禾组地层水为CaCl2型，矿化度为1 368～36 993 mg/L，其中的Ca2+易与压裂液中的阴离子反应，产生沉淀，导致孔隙被堵塞，外来低矿化度流体可以通过改变地层水黏度和矿化度，引起黏土矿物的膨胀和分散运移，进一步堵塞孔隙，降低储集层渗透率。

2.2 膨胀性实验

采用不同液体进行岩心浸泡实验和线性膨胀实验，从宏观角度分析储集层岩性的稳定性。在去离子水、模拟地层水、胍胶破胶压裂液、无水乙醇和3#白油中浸泡后，岩心的膨胀量分别是2.75 mm、2.43 mm、2.58 mm、0.23 mm 和0.20 mm（表1）；岩心在去离子水、模拟地层水以及胍胶破胶压裂液中6 h 后完全泡散解体，而在无水乙醇和3#白油中未泡散，且岩心表面没有颗粒掉落，也没有产生裂纹，都保持原状态（图1）。岩心浸泡和线性膨胀实验结果一致，在高含水的流体中，岩心样品膨胀量较大，岩心完全泡散；在不含水的流体中，样品几乎不膨胀，岩样保持原始状态。因此，储集层伤害主要与水的含量有关。

表1 克206井岩心样品浸泡实验结果Table 1.Immersion test results of core samples from Well Ke 206

通过截取不同时间段胍胶破胶压裂液浸泡岩心分散过程，进一步探究伤害机理，图2 为每隔1 h 所截取的图像。在胍胶破胶压裂液中，首先，是岩心与破胶压裂液接触先发生表面水化，使岩心表面颗粒脱落（图2a）；其次，是岩心中的黏土矿物与水接触，发生水化膨胀，使岩心体积增大，微裂缝围绕砾石颗粒产生，使岩心稳定性降低（图2b）；随着浸泡时间延长，岩心的胶结力变差，微孔隙产生和微裂缝扩展加快，水与岩心中的矿物作用进一步加强，砾岩颗粒开始剥落或产生塌孔（图2c）；最后，在水化后期，微孔隙的产生和扩展继续发展，裂缝贯穿使岩心完全解体（图2d）；结合全岩矿物X 射线衍射定量分析可知，岩心主要由石英、斜长石和方解石组成，黏土矿物相对含量为15.5%，其中蒙脱石含量高达96.0%，蒙脱石与水接触易发生水化膨胀，导致岩心稳定性下降，使岩心泡散解体（图2e、图2f）。

2.3 孔隙定量分析

使用nanoVoxel-4000 系列高分辨率X 射线三维显微镜对样品进行高分辨扫描成像，每0.25°采集一帧图像（图3）。原始岩心用模拟地层水饱和，经胍胶破胶压裂液伤害后，没有变化。可明显观察到岩心端部产生裂缝，裂缝主要围绕砾石产生。通过孔隙尺寸测量可知，经过胍胶破胶压裂液伤害后岩心孔隙半径减小。结合CT 定量分析，胍胶破胶压裂液和储集层相互作用，使岩心稳定性变差，黏土矿物吸水膨胀堵塞了孔喉，使岩心孔隙减少，连通性变差。

为了更直观地观察岩心孔隙变化特征，将不同截面的CT 图像沿着岩心轴向进行三维重建，得到胍胶破胶压裂液伤害前后的岩心三维孔隙分布（图3g—图3i）。可以看出，原始岩心孔隙最多，连通性较好；驱替饱和地层水后岩心孔隙减少，孔隙连通性变差；当胍胶破胶压裂液伤害后，岩心孔隙度进一步减小，连通性变差，表明胍胶破胶压裂液对岩心孔隙度有较大的影响，伤害后会大幅度减小孔隙度和降低孔喉连通性，从侧面也说明了矿物发生了水化膨胀，堵塞了孔隙。

通过阈值分割，统计沿z轴方向的逐层孔隙面积与逐层面面积之比（图4），对比胍胶破胶压裂液伤害前后的逐层面孔隙率可知，胍胶破胶压裂液伤害后逐层面孔隙率降低到0.2%以下；随着污染深度的增加，孔隙度降低幅度逐渐减小。表明胍胶破胶压裂液对岩心的伤害较大，伤害后会大幅度减小孔隙度和降低孔喉连通性。

2.4 岩心组分分析

通过岩心矿物自动分析识别，克206井3 685.02 m处砾岩矿物组分主要有石英（57.9%）、黏土矿物（15.5%）、斜长石（13.8%）、方解石（9.8%）和硬石膏（2.0%）（图5）。岩心孔隙和胶结处主要由伊利石、绿泥石和蒙脱石组成。通过对比胍胶破胶压裂液伤害前后同一位置可知，岩心伤害主要是砾石颗粒胶结处的蒙脱石水化膨胀降低了砾石颗粒之间的胶结强度，使砾石颗粒凸起，进一步脱落。蒙脱石由两层硅氧四面体和一层夹于其间的铝（镁）氧八面体，构成2∶1 型层状硅酸盐结构。相邻“三明治”层间依靠范德华力和氢键相连，存在于晶层表面及层间的阳离子极易水化，水化离子体积增大时很容易克服上述2 种作用力，导致蒙脱石具有极大的吸水性和膨胀性[24-27]。因此，黏土矿物中的高蒙脱石含量是储集层伤害的主要因素，蒙脱石吸水膨胀，导致岩心稳定性下降，分散直至散塌。

2.5 孔隙定量统计分析

最大球算法[14，28-32]克服了等效球直径法无法分析连通孔隙孔喉参数的弊端，可以区分数字岩心三维图像中的孔隙、喉道所占空间及连通性，可提取相应的孔隙和喉道结构网络模型；同时，运用数理统计方法，可实现对孔喉尺寸、孔喉体积、孔喉比、配位数、形状因子等孔隙结构的定量提取，获得表征地层岩石孔喉的参数。

通过球棍模型建立了孔喉网络模型，统计了孔隙半径、喉道半径、孔喉比、连通性（配位数）等表征参数（表2）。胍胶破胶压裂液伤害后，岩心平均孔隙半径从30.01 μm 减小到17.38 μm，减小了42.1%；平均喉道半径从15.55 μm 减小到10.46 μm，减小了32.7%；平均喉道长度从53.48 μm 减小到42.24 μm，减小了19.1%；平均孔喉比从0.53减小到0.29，减小了45.3%；平均孔隙体积从1.33×106μm3减小到1.25×106μm3；平均喉道体积从2.76×105μm3减小到2.47×105μm3，孔隙度和渗透率分别降低了7.7%和33.8%。总之，经胍胶破胶压裂液伤害后，孔隙半径、喉道半径、孔喉比等都减小，表明胍胶破胶压裂液与矿物发生水化膨胀及微粒运移，堵塞了孔隙和喉道，使孔隙度减小，孔喉连通性变差。

表2 克206井砾岩储集层孔喉结构定量评价Table 2.Quantitative evaluation of pore throat structure of the conglomerate reservoir in Well Ke 206

2.6 保护措施

结合前人研究成果，可采取以下保护措施。首先，有针对性地评价和优选黏土防膨剂，加入压裂液中，使压裂液成为带正离子的溶液，利用正离子与黏土晶片表面负离子作用，结合成稳定的体系，在黏土表面形成憎水面，隔离黏土矿物晶面硅氧键或氢氧键的偶极对水分子的吸引，从而起到防止黏土水化膨胀的作用；其次，利用这种溶液在水化的黏土体中产生离子间排斥和聚合凝缩作用，使黏土矿物在这种分子间力作用下聚结，起到防止黏土分散运移的作用。

首先，在地层温度下，分别用去离子水（图6a）、4%KCl 溶液（图6b）、4%聚胺溶液（图6c）和4%新型聚醚胺溶液（图6d）浸泡岩心样品6 h，筛选出防膨效果较好的溶液，其中4%新型聚醚胺溶液抑制效果最好，能够有效抑制岩心泡散解体。其次，带有仿生基团（仿荷叶表面）的表面活性剂，通过降低液体张力，使岩心表面疏水，降低岩石与破胶压裂液的相互作用，同时表面疏水改性也可降低破胶压裂液返排难度。最后，厘清破胶压裂液与储集层的共存条件，通过优化压裂液，提高储集层保护性能。

3 结论

（1）准噶尔盆地玛南地区储集层岩心分散主要是与流体中的水发生了相互作用，胍胶破胶压裂液中水与蒙脱石的作用是储集层伤害的引发因素。经破胶压裂液伤害后，岩心平均孔隙半径减小了42.1%，平均喉道半径减小了32.7%，平均喉道长度减小了19.1%，平均孔喉比减小了45.3%。

（2）黏土矿物中的蒙脱石与水作用后，水化膨胀堵塞了孔隙喉道，导致孔隙度降低，连通性变差；此外，岩石的胶结力变差，微孔隙产生和微裂缝扩展的趋势得到快速发展，水与岩石中的矿物作用进一步加强，导致岩石内部出现颗粒剥落或塌孔。在水化后期，微孔隙的产生和扩展趋势继续发展，裂缝归并贯通使岩石完全散落解体。

（3）建议向压裂液中有针对性地加入黏土防膨剂，起到防止黏土膨胀分散运移的作用；带有仿生基团（仿荷叶表面）的表面活性剂，可降低黏土矿物与压裂液的相互作用，同时提高压裂液返排率和对储集层的保护性能。