致密砂岩储层束缚水饱和度影响因素——以鄂尔多斯盆地临兴地区为例

吴 蒙,秦 勇，申 建，宋党育，王晓青，张谷春，李国璋，朱士飞

1.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008 3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000

0 引言

鉴于致密砂岩物性差、喉道细、非均质性强，对其储层描述和精细评价成为一个关键问题。近年来，有研究者[1-5]认为束缚水饱和度可以较好地进行致密砂岩储层油气评价、储量计算和产能预测。束缚水通常赋存于储层表面、孔缝角隅和微毛细管中，受毛细管力和黏滞力共同作用[6]。致密砂岩中的束缚水以微毛细管束缚水和薄膜束缚水的形式存在，其中，毛细管束缚水受毛细管力控制，薄膜束缚水受表面分子力作用而滞留在孔隙壁[7]。核磁共振横向弛豫时间(T2)可以表征束缚流体和可动流体[8]，其中：低T2值，代表微孔中的黏土束缚水；中T2值，代表小孔隙中的薄膜水和毛细管束缚水；高T2值，代表大孔隙中的可动水[9]。

前人关于束缚水开展了研究，如:陈科贵等[1]、李海波等[9]对砂岩储层束缚水饱和度影响因素进行研究，发现颗粒半径、孔隙和喉道越小，物性越差，岩石与水的接触面积越大，束缚水饱和度越高；郑小敏等[10]、李莲明等[11]发现随着地层压力的增大，岩石束缚水饱和度升高；方建龙等[12]、姚泾利等[13]认为高温加剧分子运动，促进气体溶解，引起气-水之间的界面张力降低，减少水在孔隙中的捕集和岩石表面的附着，测得的束缚水饱和度较常温条件下偏低。前人也曾对致密砂岩储层束缚水饱和度计算方法做过研究[13-14]，但关于致密砂岩储层束缚水饱和度的影响因素鲜见研究报道[15]。因此，本文以鄂尔多斯盆地东北缘临兴地区致密砂岩为研究对象，运用X射线衍射、核磁共振、高压压汞及气-水相渗等实验手段，分析粒度、黏土矿物、物性、孔隙特征、润湿性和敏感性对致密储层束缚水饱和度的影响，以期为致密砂岩油气勘探和开发提供理论指导。

1 物性特征

临兴地区上古生界砂岩孔隙度为0.08%～27.49%，平均值为4.94%，渗透率为0.00～65.11×10-3μm，平均值0.01×10-3μm[16-18]，煤层和暗色泥岩发育，以Ⅲ型、Ⅱ2型干酪根为主，生气强度为(18～26)×108m3/km2，表明研究区致密砂岩储层天然气资源丰富[17-19]。选择临兴地区24块砂岩样品分别进行核磁共振和压汞测试，实验结果见表1，渗透率为0.05×10-3～11.66×10-3μm，平均值为1.88×10-3μm，孔隙度为1.43%～15.22%，平均值为7.99%，核磁共振横向弛豫时间T2谱截止值(T2cutoff)为3.86～65.60 ms，平均值为20.96 ms，束缚水饱和度为34.77%～83.78%，平均值为63.86%。

表1 临兴地区致密砂岩核磁共振和压汞实验结果

2 致密砂岩束缚水影响因素

2.1 粒度与孔隙半径

按照碎屑粒径大小可将砂岩分为粗砂岩、中砂岩和细砂岩。矿物组成和粒度从某种程度上决定了岩石的各项性质，岩石性质是矿物稳定性、风化强度、搬运距离的综合反映。以鄂尔多斯盆地东北缘临兴地区24块致密砂岩样品为研究对象，采用核磁共振实验获取其束缚水饱和度，利用Leica DMRX型显微定量图像分析仪、AutoPore Ⅳ 9505孔隙分析仪对岩石薄片进行粒度和平均孔隙半径分析。致密砂岩粒径对比发现，在砂岩粒径从大到小的变化过程中，束缚水饱和度逐渐增大(图1a)。这是因为，随着粒径变小，岩石的比表面积增大，与水的接触面积增大，薄膜束缚水升高；同时，粒径变小往往导致平均孔隙半径减小，致使滞留在微小毛细管道中或孔隙-喉道弯曲处的毛细管束缚水增多(图1b)。致密砂岩粒度和孔隙半径主要受沉积环境和成岩作用的影响[20]。前人研究表明：沉积水动力越弱，粒度越细，孔隙半径越小，束缚水饱和度越大[21]；压实作用引起储层颗粒排列紧密，孔隙半径减小，束缚流体增多[22]；胶结作用使胶结物充填孔喉空间，孔喉连通性降低，孔隙毛细管力增强，束缚水饱和度增大[23]。因此砂岩粒度和孔隙半径直接影响着致密砂岩储层束缚水饱和度。

图1 致密砂岩束缚水饱和度和平均粒径(a)、平均孔隙半径(b)的关系

2.2 黏土矿物

利用X射线衍射和核磁共振实验分析黏土矿物质量分数与储层束缚水饱和度的关系，发现束缚水饱和度与总黏土矿物质量分数呈现较好的正相关关系(图2a)。随着黏土矿物质量分数的增加，一方面储层比表面积增大，孔隙和喉道表面薄膜束缚水增多；另一方面，孔隙流体受毛细管力的束缚作用，毛细管束缚水增多[24]。同时，黏土矿物表面一般带负电荷，可以直接吸附电性不平衡的极性水分子，也可以结合形成水合离子以间接吸引水分子[1]，束缚水饱和度升高。不同黏土矿物的比表面积、表面能以及润湿性存在差异，表面能越大，孔隙表面吸附的流体越多。

对黏土矿物与束缚水饱和度进行相关性分析，发现束缚水饱和度与高岭石、伊利石、蒙脱石和伊蒙混层的质量分数均具有一定的正相关关系，其中，与伊蒙混层、伊利石质量分数的相关性高于与高岭石、绿泥石质量分数的相关性(图2b)，表明束缚水饱和度主要受伊利石和伊蒙混层质量分数的影响。这是因为亲水性的伊利石和伊蒙混层表面可以形成一层水膜，并且水膜厚度随着亲水性增强而增大[25]。同时，黏土矿物在致密砂岩中主要起填隙作用，填充的孔隙、喉道造成孔隙空间减小，连通性破坏，储层束缚水饱和度随之变化[26]。例如，黏土矿物遇水膨胀、外来液体与储层流体反应生成沉淀等，都会大大减小孔喉体积，甚至堵塞喉道，导致储层束缚水饱和度升高[23]。临兴地区致密砂岩中，黏土矿物质量分数和种类的差异引起储层表面的水膜厚度和孔隙连通性改变，导致致密储层束缚水饱和度改变，加之研究区伊蒙混层和伊利石发育，因此致密砂岩储层束缚水饱和度受黏土矿物影响较大。

a.总黏土矿物；b.黏土矿物。

2.3 孔隙特征

尽管致密砂岩储层束缚水饱和度受控于粒径和黏土矿物质量分数，但通过研究发现，在岩石平均粒径大小和黏土矿物质量分数相当时，束缚水饱和度往往也会出现波动，因此还需考虑沉积、成岩作用下的孔隙特征。一般情况下，水动力越弱，粒度越细，机械压实和胶结作用越强，孔喉连通性和微观孔隙结构越差，束缚水饱和度越高[21]。溶蚀作用不仅可以形成次生孔隙，还能沟通原本不连通的孔隙，使储层束缚流体减少[27-28]。观察研究区致密砂岩铸体薄片发现，石英颗粒附近发育残余粒间孔和粒内溶蚀孔(图3a)，高岭石交代矿物碎屑发育粒间溶蚀孔和晶间微孔(图3b)以及微裂缝(图3c)。利用扫描电镜和X-射线能谱，可以观察到：粒间孔隙中有次生石英晶体充填，并发育残余粒间孔(图3d)；片状高岭石集合体和片丝状伊利石充填于粒间孔隙中，并发育粒间溶蚀孔(图3e)；石英颗粒溶蚀形成的粒内溶蚀孔(3f)；书页状高岭石集合体充填形成的晶间孔(3g)；毛发状伊利石集合体充填碎屑颗粒形成的晶间孔(3h)和微裂缝(3i)。研究区砂岩发育片丝状、毛发状伊利石与片状、书页状高岭石集合体，常充填于原生孔隙或形成的次生孔隙中，造成其比表面增大，孔隙表面吸附的薄膜束缚水和喉道中堆积的毛细管束缚水增多。表明孔隙类型影响着致密储层束缚流体含量。

a.残余粒间孔与粒内溶蚀孔，1 550.83 m，铸体薄片；b.粒间溶蚀孔和晶间微孔，1 552.78 m，铸体薄片；c.微裂缝，1 363.84 m，铸体薄片；d.残余粒间孔，1 214.09 m，扫描电镜；e.粒间溶蚀孔，1 550.83 m，扫描电镜；f.粒内溶蚀孔，1 794.98 m，扫描电镜；g.高岭石晶间孔，1 760.44 m，扫描电镜；h.伊利石晶间孔，1 593.76 m，扫描电镜；i.微裂缝，1 636.91 m，扫描电镜。

2.4 物性

经过对研究区致密砂岩孔隙度、渗透率测试发现，束缚水饱和度与渗透率、孔隙度的相关系数R2分别为0.60，0.17(图4)，可见致密砂岩束缚水饱和度与渗透率相关性较好，与孔隙度相关性较弱。这与“致密砂岩孔喉连接处容易被矿物颗粒阻塞，导致孔隙度较大的储层形成死孔隙，束缚水饱和度增大[29-30]”的观点一致。再者，孔喉分布和连通性差异是决定岩石渗透率的重要因素[31-32]，进一步表明致密砂岩储层束缚水饱和度受渗透率影响较大，受孔隙度影响较小。

图4 致密砂岩束缚水饱和度和渗透率(a)、孔隙度(b)的关系

2.5 润湿性

采用核磁共振技术、X-射线衍射实验和气-水相对渗透率实验分析7块致密砂岩岩样束缚水饱和度、黏土矿物及润湿特征。xl-1-2、xl-2-1、xl-2-2和xl-5-2样品的总黏土矿物质量分数相对较高，相应的束缚水饱和度也较高(表2)。可能因为伊利石质量分数较高造成喉道迂曲度增强，或者水携带的黏土矿物颗粒堵塞细小的孔隙，引起孔喉连通性变差，束缚水饱和度升高[25]。xl-1-1、xl-1-3、xl-5-1样品黏土矿物不发育，或者绿泥石、高岭石这些非亲水黏土矿物发育，使得储层束缚水饱和度降低。

表2 研究区样品黏土矿物质量分数及润湿指数

根据气-水相对渗透率交点处的含水饱和度(Swx)、最大含水饱和度下的水相相对渗透率(Krwm)以及束缚水饱和度(Swi)3个参数利用公式(1)推导润湿指数(Wi)，以此来判断岩石润湿性的相对大小，润湿指数越大，亲水性越强[25,33]。

(1)

图5为含水饱和度与气-水相对渗透率变化图，由图5可知，xl-1-3、xl-5-1样品的气相渗透率与其他样品相比较小，水相渗透率较大，气-水相对渗透率曲线的交点左移，所以润湿指数减小，束缚水饱和度降低。同时，亦表明xl-5-2样品亲水性最强(表2，图5)。致密砂岩亲水性越强，其孔隙表面水膜厚度越大[34]，所以xl-1-3、xl-5-1样品的水膜厚度小于其他样品。致密砂岩可动流体的孔喉半径下限为0.05～0.13 μm[29,35]，水膜厚度在0.05～1.00 μm之间[36]，岩石的亲水性和水膜厚度直接影响着可动流体的孔喉半径。可动流体的孔喉半径越小，孔隙贾敏效应越强，甚至完全阻塞喉道，束缚流体饱和度越大[25,34]。同时，致密储层表面越亲水，砂岩表面颗粒对流体的吸附能力越强，微-细孔内的可动流体越需要更大的驱动压力克服毛细管力[25, 32]。以上表明致密砂岩润湿性对储层束缚水饱和度影响较大。

Krg.气相相对渗透率; Krw.水相相对渗透率; Sw.含水饱和度。

润湿指数与伊利石、高岭石、绿泥石和伊蒙混层质量分数均呈现较好的“抛物线”关系(图6)。随着各黏土矿物质量分数的升高，储层润湿指数先减小后增大；这可以较好地解释xl-1-1样品黏土矿物与束缚水饱和度的关系，同时，表明了致密储层束缚水饱和度受多种黏土矿物共同控制。

图6 临兴地区黏土矿物质量分数与润湿指数的关系

2.6 敏感性

临兴地区60块砂岩样品利用WTK-1岩心流动实验装置，分5组分别进行碱敏、水敏、速敏、酸敏和盐敏实验。由实验结果结合石油天然气行业标准(SY/T 5358—2002)[37]，可知致密砂岩盐敏渗透率损害率为37.50%～89.10%，平均值为56.91%，中等偏强损害；碱敏损害率为13.90%～73.80%，平均值为40.41%，中等偏弱损害；水敏损害率为37.10%～89.10%，平均值为56.64%，中等偏强损害；速敏损害率为15.38%～50.56%，平均值为30.93%，弱损害；酸敏损害率为5.20%～60.10%，平均值为37.55%，中等偏弱损害。

基于以上实验数据研究发现：注入流体的矿化度升高(图7a)，pH值(>6.8)增大(图7b)，驱替速度(<0.5 mL/min)增大(图7c)，水量及酸液(图7d，e)增加，都会不同程度导致致密砂岩渗透率改变。可能由于喉道半径小于0.05 μm时，孔隙中的水以束缚水为主，砂岩储层中水的流动与岩石孔隙结构、物性、气体流动、压差等相关[38]。在一定程度下，黏土矿物的膨胀、分散[39]，松散矿物颗粒的运移[40]，碳酸盐矿物的溶解[41]，硅质矿物化学反应产生硅酸盐沉淀[42]等均会伤害储层，降低砂岩渗透率，引起束缚水饱和度升高。同时，黏土矿物质量分数直接影响储层水敏强弱[43]，外来流体与砂岩中的硅酸盐矿物发生物理化学反应产生沉淀或者凝胶阻塞孔喉，束缚水饱和度升高[32, 41-42]。因此，研究区致密砂岩的敏感性受黏土矿物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐等敏感性矿物与外来流体所携带的固体微粒共同作用，也表明砂岩敏感性对致密储层束缚水饱和度影响较大。

a.渗透率比率与矿化度; b.渗透率比率与pH; c.渗透率与驱替速度; d.渗透率与注入水量; e.注酸后渗透率比率变化。

3 结论

1)研究区致密砂岩束缚水饱和度为34.77%～83.78%，平均值为63.86%，T2谱截止值为3.86～65.60 ms，平均值为20.96 ms。

2)致密砂岩束缚水饱和度受黏土矿物质量分数、粒径、物性、润湿性和敏感性控制。粒径越小，孔隙半径越小，黏土矿物质量分数越高，导致岩石比表面积越大，毛细管束缚水饱和度越高。岩石亲水性越强，水膜厚度越大，薄膜束缚水饱和度越高。水敏和盐敏是致密储层渗透率改变的主要原因。

3)研究区发育残余粒间孔、粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔、晶间孔隙、微裂缝等多种孔隙类型。孔隙中充填的黏土矿物类型与形态存在差异，造成储层孔隙结构复杂，微观非均质性强，束缚水饱和度变化大。