玛湖凹陷二叠系乌尔河组典型致密砾岩储层敏感性实验研究

常天全, 邹正银, 孔垂显, 胡龙杰, 李 胜, 张会勇, 刘灿华, 蒋庆平, 惠 婧

1. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 新疆 克拉玛依 834000;2. 河北地质大学 研究生学院, 河北 石家庄 050031

0 引言

非常规油气储层受到的关注越来越高, 但非常规油气储层通常具有物性差、 黏土矿物含量高的劣势,实现高效开发还需进一步剖析其微观特点。 目前多采用水平井体积压裂来提高非常规油气储层的物性, 而且压裂工作液的注入也可增加地层压力、 补充能量[1-5], 但是压裂过程也有可能产生负面影响, 特别是对于黏土矿物含量较高的非常规储层, 水溶性压裂工作液注入会对储层产生严重的水敏伤害, 且会对后续生产效果产生显著的影响[6-8]。 论文以玛湖凹陷发育有典型致密砾岩储层的玛湖1 井区和玛东2 井区为例, 此二井区的致密砾岩发育在二叠系乌尔河组, 在对其采用水平井体积压裂开发过程中, 实施水平井常出现含油上升慢、 压力下降快和井筒易堵塞等问题,大量的生产现象均表明储层敏感性是重要影响因素之一[9-11], 由此可见, 开展储层敏感性研究刻不容缓。

目前, 针对致密砾岩储层敏感性的综合研究还较为薄弱, 论文以玛湖1 井区和玛东2 井区的致密砾岩样品为研究对象, 通过铸体薄片、 X 衍射和基于核磁的储层岩石水敏特征定量评价等实验手段, 综合研究并深入剖析玛湖二叠系乌尔河组致密砾岩的水敏特征, 为致密砾岩油藏稳产增产提供技术支撑。

1 实验测试

实验测试采用两种规格的岩石样品, 一种是碎岩石样, 另一种是粗钻取柱塞岩样(图1)。 首先对柱塞岩样进行线切割得到标准岩心柱塞, 用于后续的储层岩石水敏特征定量评价实验; 然后处理柱塞岩样边角料和碎岩石样, 分别进行铸体薄片和X 衍射等实验测试。

图1 实验中两种规格岩样Fig.1 Rock samples of two specifications in the experiment

铸体薄片鉴定属于常规分析手段, 能够直观的反映孔隙结构特征。 论文使用蓝色甲基丙烯酸甲酯单体溶液加压注入岩石制备铸体薄片, 具体制备过程不再赘述。

X 衍射实验采用D8 DISCOVER X 射线衍射仪。技术参数: 额定输出功率3 kW, 电流电压稳定度优于±0.005%, 光管类型为Cu 靶, 陶瓷X 光管功率2.2 kW, 扫描方式为θ/θ 测角仪, 精度0.000 1°, 角度重现性0.000 1°, 最大扫描速度1 500°/min, 2θ 转动范围-10°～168°。

考虑研究区致密砾岩储层岩石可能存在强水敏,水敏特征定量评价实验首先将岩心抽真空后加压饱和酒精, 在酒精驱替形成连续流动后转注0.5 PV 的伤害性盐水, 待盐水在岩心中充分流动后立刻转注酒精进行清洗, 对比实验伤害前后的岩心状态参数, 主要包括岩心的基础孔渗、 液体饱和孔渗及核磁扫描T2 分布。

基础孔渗测试设备为岩心常规孔渗仪, 主要由岩心孔隙度测定仪和岩心渗透率测定仪两部分组成。 岩心孔隙度测定仪是基于波义耳定律而设计制造的, 通过压力传感器测出流程中的进气压力和平衡压力值。首先利用若干已知体积的标准块测出仪器系统的标定体积值, 之后根据放入岩心测试的实验数据即可求得岩心的骨架体积, 进而得到岩心孔隙度。 技术参数:岩心柱塞直径2.5 cm 或3.8 cm, 长度3 ～10 cm, 气源为氦气, 测试压力0.4 MPa, 电源220 V/50 Hz, 测量精度误差≤0.5%。 岩心渗透率测定仪是基于达西定律设计制造的, 在一定的压力下使氮气流过岩心,待气体在岩心中达到稳定流动后测量岩心两端压差和流量, 通过达西定律计算岩心的气体渗透率, 技术参数: 岩心柱塞直径2.5 或3.8 cm, 长度3～10 cm, 气源为氮气, 测试压力为0.6 MPa, 电源电压220 V 频率50 Hz, 渗透率测量范围0.000 5～10 000 mD, 测量精度≤1%。

液体饱和孔渗测试实验的岩心驱替系统流程如图2 所示。 首先将对应的岩心完全饱和煤油, 通过干湿重量对比计算可获取液体饱和孔隙度, 然后将饱和煤油的岩心放在夹持器中建立单相稳态流动环境, 即可测试出液体渗透率。

图2 岩心驱替系统流程图Fig.2 Flow chart of core displacement system

核磁扫描T2 分布的检测设备为岩心核磁分析仪Meso-MR23, 通过对氢核核磁共振信号强度的观测,可反算孔隙中流体性质及其含量。 技术参数: 仪器主频21 MHz, 最小回波间隔60 us, 探头尺寸1/1.5 in,最大样品尺寸直径2.54 cm, 长度5 cm。

2 结果分析

2.1 岩石学特征分析

岩心观察发现, 玛湖凹陷玛湖1 井区和玛东2 井区二叠系乌尔河组的典型致密砾岩储层, 岩石类型主要是含砂砾岩、 中砾岩和含砂细—中砾岩。 通过铸体薄片镜下鉴定可分析其内部结构组成(图3)。

图3 玛湖凹陷二叠系乌尔河组典型致密砾岩铸体薄片镜下特征Fig.3 Microscopic characteristics of typical tight conglomerate cast in Permian Wuerhe Formation, Mahu Sag

含砂砾岩以砾石为主, 含少量粗砂(图3a)。 其中的砾石以岩屑为主, 主要为凝灰岩岩屑和泥岩岩屑, 粒径2.0～6.0 mm。 砂级颗粒为粗砂, 以凝灰岩岩屑、 泥岩岩屑、 花岗岩岩屑和石英颗粒为主。 颗粒间填充泥质胶结物, 呈泥质鳞片结构。 可见方解石交代、 绿泥石蚀变等现象, 孔隙发育不佳, 偶见粒间孔、 粒缘缝和微裂缝, 孔径约0.05 mm, 缝宽0.01 ～0.02 mm 左右。

中砾岩也以砾石为主, 含少量粗砂(图3b)。 砾石粒径在4.0 ～15.0 mm 之间, 椭圆状, 顺长轴方向排列, 主要为凝灰岩岩屑, 含少量酸性喷出岩岩屑、硅质岩岩屑和泥岩岩屑。 粗砂成分为凝灰岩岩屑、 泥岩岩屑和石英颗粒等。 岩石主要成岩作用有压实作用、 胶结作用, 颗粒间以线接触为主, 少量凹凸接触, 颗粒间泥质胶结呈泥质鳞片结构; 孔隙不发育,连通性差, 基本无粒间孔和粒间溶孔, 偶见粒缘缝和微裂缝, 缝宽一般为0.01 mm, 少量缝宽为0.03 mm左右。

含砂细—中砾岩以中砾为主, 含部分细砾和粗砂(图3c)。 砾石粒径2.0 ～12.0 mm, 主要为凝灰岩岩屑和泥岩岩屑, 呈椭圆状、 长圆状杂乱排列。 粗砂成分主要为凝灰岩岩屑、 泥岩岩屑、 粗粉砂岩岩屑和石英颗粒等。 岩石成岩作用主要有压实作用、 胶结作用、 交代作用, 碎屑颗粒间以线接触为主, 少量凹凸接触; 颗粒间充填泥质胶结物, 被赤褐铁矿浸染, 结构不清; 发育细晶方解石交代现象; 岩石基本无粒间孔和粒间溶孔, 粒缘缝和微裂缝缝宽0.01～0.03 mm。

X 衍射实验分析了样品的全岩矿物成分和主要黏土矿物含量组成(表1)。 结果表明, 玛湖凹陷二叠系乌尔河组典型致密砾岩储层的主要矿物成分为黏土矿物、 石英、 钾长石和斜长石。 其中石英含量20%～62%不等; 钾长石含量一般低于10%; 斜长石含量主要在15%～30%; 最突出的特点是黏土矿物含量较高, 一般＞20%, 最高可达66%, 同时其中的伊/蒙间层相对含量较高, 大多在50%以上。 较高含量的黏土矿物以及其中高占比的伊/蒙间层, 为研究区典型致密砾岩储层在压裂液作用下发生强水敏效应埋下了伏笔。

表1 实验岩样X 衍射全岩和主要黏土矿物分析表Table 1 X-ray diffraction analysis table of whole rock and main clay minerals of the experimental rock sample

续表1

2.2 水敏特征分析

钻切好的柱塞岩样, 按上述既定方案开展储层岩石水敏特征定量评价实验后, 岩心的基础孔渗(相当于绝对孔渗) 和液体饱和孔渗 (相当于有效孔渗) 都出现了不同程度的下降(表2)。 其中基础孔隙度下降0.17%～2.84%, 基础渗透率下降0.004 9～4.161 4 mD, 液体饱和孔隙度下降0.000 28% ～4.53%, 液体饱和渗透率下降0.55 ～2.81 mD。 单纯从下降的数据来看, 水敏伤害似乎并不明显, 但实验样品本身就是致密岩, 其原始孔渗数值本身就普遍偏低。

表2 水敏特征定量评价实验前后岩心状态参数对比Table 2 Comparison of core state parameters before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

通过计算获取的下降数值与伤害前数据的百分比, 基础孔隙度下降幅度2.95%～28.85%, 基础渗透率下降幅度0.48%～75.84%, 液体饱和孔隙度下降幅度24.74%～99.66%, 液体饱和渗透率下降幅度10.25%～32.34%, 尤其是液体饱和孔隙度下降幅度最高达99.66%, 由此可见, 水敏伤害造成的孔渗变化是异常惊人。 实验前后的气测回归克氏渗透率情况对比图(图4), 也同样呈现出非常明显的下降特点。

图4 水敏特征定量评价实验前后岩心基础渗透率对比图Fig.4 Comparison of core basic permeability before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

实验前后的核磁信号分布情况对比(图5) 同样呈现了明显的损伤现象。 由图可知, 岩心003-1 整体呈现核磁T2 信号分布往左压缩移动(图5a), 根据核磁T2 对应孔径的特性, 以上变化趋势反映岩心中的大孔隙在变少, 而小孔隙则在变多, 因此呈现出整体分布往左移动同时信号幅度上升的情况; 岩心020则呈现核磁T2 信号分布整体下降的特点(图5b),这说明岩心所有的大小孔隙都在变少, 属于整体下降的类型。

图5 水敏特征定量评价实验前后岩心核磁T2 对比Fig.5 Comparison of core NMR T2 before and after the quantitative evaluation of water sensitivity characteristics

3 讨论

根据水敏伤害产生的机理, 通过分析样品岩心在开展水敏特征定量评价实验前后相关状态参数的变化, 重点考虑氦孔、 液体饱和孔隙度、 克氏渗透率和液体饱和液体渗透率等四项参数的下降率, 之后按照权重进行加和来定义储层岩石水敏综合特征评价系数, 计算公式如下:

表3 展示了每块致密砾岩储层岩心样品的水敏系数。

表3 水敏特征定量评价实验的岩心水敏系数表Table 3 Table of water sensitivity coefficients of cores for quantitative evaluation experiments of water sensitivity characteristics

黏土矿物是水敏伤害产生的关键因素, 据此进一步分析水敏系数和储层主体矿物之间的关系。 通过将岩心水敏系数和其对应的矿物组成特点进行大量比对发现, 水敏系数与伊/蒙间层黏土的相对含量 (图6a)、 黏土在黏土和石英中的占比(图6b)、 伊/蒙间层黏土在黏土和石英中的占比(图6c) 这3 个参数具有较好的相关性。

图6 岩心水敏系数同矿物分布等参数的相关性分析Fig.6 Correlation analysis of core water sensitivity coefficient with mineral distribution and other parameters

通过以上相关性的分析可知, 岩心的水敏特性即水敏系数的确和岩心的黏土矿物占比, 特别是伊/蒙间层黏土占比有很好的关系, 而伊/蒙间层黏土也的确是一种易引起水敏的黏土矿物, 从而佐证以上分析认识的准确性。

4 结论

(1) 针对玛湖凹陷玛湖1 井区和玛东2 井区二叠系乌尔河组致密砾岩的特点, 论文设计的基于核磁的储层岩石水敏特征定量评价实验方法, 能够明确水敏伤害前后储层物性的变化规律。

(2) 根据样品水敏特征评价实验前后状态参数的特点, 定义了新的水敏系数, 该系数充分考虑了氦

孔、 液体饱和孔隙度、 克氏渗透率和液体饱和液体渗透率等多项参数的下降率, 系数越大, 储层岩石水敏对物性影响越大。

(3) 结合岩心的水敏系数和X 衍射分析的矿物