临兴地区致密砂岩储层流体敏感性特征分析

周龙刚,葛 岩,仲米剑,胡云亭,刘喜杰,胡 杨

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300457;2.中国石化河南油田分公司采油二厂,河南南阳 473400)

国外于上世纪五十年代末提出“地层损害”的概念,着手研究pH、矿化度等油气储层损害机理,七十年代开始将研究成果推广至现场应用,八九十年代研究认为储层伤害的最重要因素是微粒运移[1-2]。国内自上世纪六十年代初逐渐开展储层敏感性相关研究,通过室内实验,分析了储层敏感性成因及其对油气田开发的影响[3-4],目前常规储层的敏感性研究已取得了相对成熟的认识[5-7]。鄂尔多斯盆地作为我国致密气勘探开发的“主战场”之一,近年来盆地东北缘的临兴地区于上古生界致密气勘探获得突破,临兴地区致密气纵向上呈现多套成藏组合特征[8-10],且太原组至石千峰组沉积体系不同,导致岩性多变、黏土矿物存在差异,使得区内致密砂岩储层敏感性较盆地内致密气藏更加复杂,影响储层保护及气田的高效开发。本文利用X-衍射、薄片鉴定、扫描电镜、核磁及敏感性等实验数据,开展临兴地区致密储层敏感性特征及主控因素分析,以期为该区致密气勘探开发提供依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是我国重要的能源基地,近年来致密气勘探开发由盆内扩展至盆缘,临兴区块位于盆地东北部晋西挠褶带,地层自西向东呈单斜构造,倾角1°～2°,受印支期、燕山期、喜山期三期构造运动影响,发育低幅褶皱[10]。晚古生代以来稳定沉降,经历了从陆表海至近海平原,直至陆相三角洲沉积的沉积演化,地层分布稳定,自下而上沉积了本溪组(C2b)、太原组(P1t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P2s)、石千峰组(P3s),其中本溪组-山西组为海陆过渡相含煤建造,奠定了盆地上古生界致密气成藏的烃源基础。研究区物源来自盆地北部的伊蒙隆起,本溪组-太原组为潮坪沉积,发育障壁沙坝、潮汐水道等优势砂体;下石盒子组以辫状河三角洲沉积为主,水下分流河道物性最优;上石盒子组为浅水三角洲沉积,分支河道物性最优;石千峰组以曲流河沉积为主,边滩物性最好;纵向上多套不同沉积成因的储集砂体,为致密气成藏提供了良好的储集条件,加之盆地边缘断裂相对发育,形成了源内、近源、远源多套成藏组合[11],主要发育太原组太2段,下石盒子组盒8段、盒7段,上石盒子组盒4段、盒2段,石千峰组千5段等六套气层。

2 储层特征

受晚古生代沉积环境由海相向陆相演变的影响,研究区纵向上岩石碎屑组分存在差异,自下而上岩性由以石英砂岩为主向以长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩为主变化。平均石英含量由太2段约70%减少至千5段55%,受物源及有机酸溶蚀共同作用,长石含量呈现与石英相反的变化趋势,远源的千5段、盒2段、盒4段长石平均含量均超过25%,近源的盒7段、盒8段长石含量约10%,源内的太2段长石含量则急剧减少至小于1%。研究区储层处于中成岩阶段A期-B期,受压实、胶结、溶蚀等成岩作用共同影响,不同地层间黏土矿物含量差异明显,自上而下总体由伊/蒙混层为主向伊利石+高岭石为主过渡(图1)。随埋深增大、成岩作用增强,蒙皂石逐渐转化为高岭石、伊利石,千5段至太2段伊/蒙混层相对含量由40.3%减少至4.1%;上部蒙皂石转化为高岭石,下部靠近煤系源岩、地层酸碱性变化,长石溶蚀导致K+含量增多,促进高岭石向伊利石转化,导致高岭石随埋深呈现先增加后下降趋势;伊利石随埋深呈现增加趋势,最高相对含量大于70%(图1)。

图1 临兴地区上古生界致密砂岩矿物含量及孔隙度变化

研究区孔隙度为2%～14%,大部分小于10%。岩石薄片及扫描电镜观察表明,临兴地区储层孔隙受压实减孔作用和溶蚀增孔作用共同影响,发育原生粒间孔、残余粒间孔、溶蚀粒间孔、溶蚀颗粒孔及晶间孔(图2),与煤系源岩越近储层中溶蚀颗粒孔、溶蚀粒间孔越多(含量大于60%),埋深变浅,成岩压实作用减弱,则残余粒间孔逐渐增多(最高小于30%)。平均孔隙度呈现先增大后减小的变化趋势(图1),盒4段平均孔隙度最高(平均10.8%),分析认为可能所受溶蚀增孔作用强于压实减孔作用。研究区储层渗透率主要为0.01×10-3～10×10-3μm2,大部分小于1.0×10-3μm2,渗透率受孔隙喉道影响明显,两者呈正相关关系,孔喉中值半径一般小于1.0 μm(图3)。孔隙颗粒及表面可见伊利石、高岭石、绿泥石等鳞片状、丝片状自生矿物(图4),易剥离运移,使得储层具有潜在的流体敏感性。

a.X-1井,千5段,1 420.30 m,100×(-),粒间孔隙,钾长石云母化;b.X-2井,盒4段,1 571.67 m,12.5×(-),原生粒间孔为主;c.X-3井,盒7段,1 621.35 m,100×(-),粒间溶孔;d.X-4井,太2段,1 830.83 m,100×(-),颗粒溶孔

图3 临兴地区储层渗透率与孔喉半径关系

a.X-3井,千5段,1 252.44 m,1 000×(-),片状绿泥石充填粒间孔隙并包裹部分颗粒表面;b.X-3井,千5段,1 255.24 m,1 500×(-),粒间孔隙内充填蜂窝状伊/蒙混层、自生石英和自生钠长石;c.X-1井,盒2段,1 502.80 m,7 000×(-),发育较大长石溶蚀孔隙;d.X-2井,盒4段,1 575.33 m,1 600×(-),粒间孔隙内充填丝片状伊利石和自生石英;e.X-3井,盒7段,1 624.14 m,3 000×(-),粒间孔隙内充填丝片状伊利石和鳞片状高岭石;f.X-5井,太2段,1 852.63 m,2 800×(-),长石部分溶蚀,向片状云母转化

3 储层敏感性特征

柱塞样品洗盐、烘干后,再利用模拟地层水对其饱和,通过酸、碱和不同矿化度流体开展岩心流动实验,对比前后渗透率变化,可得到储层的各类敏感性。统计结果显示:研究区致密砂岩储层整体上盐敏、水敏伤害较强,平均伤害率可达中等-较强,酸敏、碱敏次之,速敏最弱(图5)。纵向上不同地层间敏感性存在差异,研究区地层年代“老”、成岩作用强,地层水矿化度高达数万mg/L[12];盐敏普遍以中等偏强为主;水敏以中等偏弱-中等偏强为主;速敏呈“上下弱,中间强”,盒4段最强;酸敏自上而下大体呈增大趋势,碱敏逐渐减小,两者呈现相反变化趋势(图6)。统计储层敏感性与物性关系发现,随渗透率升高速敏、水敏、酸敏、盐敏伤害率均呈现先升高后降低的趋势,敏感性伤害峰值所对应的渗透率为0.4×10-3～0.7×10-3μm2。

图5 临兴地区致密砂岩储层不同敏感性伤害率对比

图6 临兴地区纵向不同地层敏感性伤害率变化

4 储层敏感性影响因素分析

储层敏感性表现为敏感性矿物运移堵塞喉道引起渗透率下降,微观上,储层敏感性受黏土矿物种类、分布模式及孔隙结构影响[13-16];宏观上,沉积、成岩共同作用影响黏土矿物、孔隙结构特征,是储层敏感性的宏观控制因素。

4.1 微观影响因素

4.1.1 矿物类型与产状

敏感性矿物以黏土矿物最常见,吸水膨胀能力依次为蒙脱石>含膨胀层的混层黏土>伊利石>高岭石,研究区蒙脱石主要为原生矿物,大多以杂基、胶结物形式存在,难以移动。水敏主要与伊/蒙混层有关,两者呈正相关关系(图7a),自上而下储层砂岩中伊/蒙混层含量逐渐减少(图1)与水敏变化趋势基本一致(图6),太原组水敏伤害率偏强,可能由孔、渗较低,伊利石含量异常高引起。酸敏主要和含铁矿物、碳酸盐矿物有关,受控于绿泥石、伊利石含量,绿泥石含量大于40‰时,酸敏伤害率与绿泥石含量基本呈正相关性;绿泥石含量低于40‰时,酸敏伤害率受绿泥石含量、伊利石含量的共同控制(图7b)。碱敏性矿物主要为高岭石、蒙皂石、伊利石,研究区碱敏性主要控制因素为高岭石,随着高岭石含量增加,碱敏伤害率基本也呈现增加趋势(图7c)。

图7 黏土矿物各组分绝对含量与敏感性指数关系

研究区黏土矿物的产状一般分为薄膜式、分散质点式、搭桥式三种类型。绿泥石(图4a)、部分伊利石会以黏土薄膜的形式贴附于孔隙壁或颗粒表面;高岭石、伊利石以及黏土杂基通常以分散质点的形式充填于砂岩的粒间孔隙(图4e)、粒内溶孔和铸模孔;黏土矿物晶体如伊利石、伊/蒙混层自孔隙壁向孔隙空间生长,甚至可直达孔隙空间的彼岸,形成黏土桥(图4d),它们在孔隙中呈网络状分布。相对来说,搭桥式最易运移,堵塞喉道;分散质点式将大孔隙分割成微细孔隙,会降低渗透率;薄膜式减小喉道半径,可能从颗粒表面脱落、分散、运移。

4.1.2 孔隙结构

储层敏感性由敏感性矿物运移堵塞喉道引起,喉道半径大,则不易堵塞,分析对比不同物性岩心核磁实验数据,A类储层(图8a)大喉道占比高,大于1.0 μm喉道发育,连通性好,各类敏感性均较弱;B、C类储层(图8b、c)大孔喉、小孔喉均发育,但连通喉道减少,敏感矿物运移易堵塞小喉道,速敏、水敏等依次升高;D类储层(图8d)大喉道不发育,小喉道基本不连通,难以充注,为非储层(表1)。

表1 不同物性岩心敏感性对比

图8 不同物性砂岩核磁孔喉半径分布

4.2 宏观控制因素

4.2.1 沉积作用

沉积微相控制储层及砂体展布,水动力的强弱影响碎屑颗粒大小、分选及黏土矿物含量的多少。以区内盒4段2小层为例,通过对多口井的沉积微相统计发现:从主河道到河道侧缘,再到河道间,随着水动力减弱,碎屑矿物颗粒含量下降,伊/蒙混层、绿泥石、高岭石等黏土矿物含量逐渐增多,孔渗变差,喉道逐渐变小,造成各类敏感性普遍增强(表2)。

表2 临兴二开发区盒4段2小层储层物性及矿物含量统计 %

4.2.2 成岩作用与成岩相

成岩相是沉积与后期成岩作用共同作用的结果,反映沉积岩目前的基本面貌特征。划分成岩相时,一般先确定砂岩岩石类型和岩石学特征,再结合砂岩经历的成岩作用类型、强度、成岩演化史及孔隙演化史,综合进行成岩相的划分及命名。成岩过程中压实、胶结、溶蚀等多重作用耦合导致黏土矿物转化,孔隙类型、喉道粗细的变化,对储层物性产生建设性或破坏性作用,进而间接影响储层敏感性。在对大量偏光薄片、铸体薄片、扫描电镜和X-衍射实验结果统计分析的基础上,依据研究区储层成岩作用类型和特征、孔隙成因和物性特征主控因素,将研究区砂岩成岩相划分为以下四种类型。

1)Ⅰ类硅质胶结粒间孔成岩相:该类成岩相砂岩以高石英含量为特征,岩石类型以石英砂岩、长石石英砂岩为主,粒度为中粒-粗粒,填隙物含量低,以点线接触为主,硅质胶结,抗压性强,部分原生粒间孔得以保存,连通性好,为流体流动提供通道,利于杂基和胶结物溶蚀形成次生溶蚀孔(图9a),孔喉粗,不易被剥落的矿物颗粒堵塞,是研究区物性最好的储层,孔隙结构特征与图8a类似,敏感性普遍较弱(表3)。

表3 临兴地区致密砂岩成岩相类型及敏感性特征

a.X-46井,1 612.72 m,盒4段,100×(-),残余粒间孔;b.X-28井,1 785.87 m,盒8上段,12.5×(-),长石颗粒溶蚀;c.X-20井,1 793.70 m,太2段,50×(-),溶蚀粒间孔;d.X-7井,1 813.00 m,盒8上段,100×(-),水云母泥质与高岭石混杂分布粒间

2)Ⅱ类长石溶蚀孔成岩相:该类成岩相砂岩中钠长石、钾长石等碎屑颗粒在酸性流体作用下,强烈溶蚀产生大量次生溶蚀孔(图9b),颗粒边缘被溶蚀后呈港湾状,也有部分颗粒整体被溶蚀,形成铸模孔。部分杂基和火山物质也发生溶蚀形成粒间溶孔,孔隙、喉道大小不一,孔隙结构特征如图8b,压实和胶结程度均中等,是研究区物性较好储层,因颗粒运移,小喉道易被堵塞,敏感性普遍中等偏弱以上(表3)。

3)Ⅲ类杂基溶蚀孔成岩相:该类成岩相碎屑颗粒含量较低,填隙物、黏土矿物含量高,压实作用和胶结作用比Ⅰ、Ⅱ类成岩相强,原生粒间孔基本消失殆尽,以杂基溶蚀孔为主(图9c),表现为充填在碎屑颗粒间的泥质杂基、蚀变杂基以及假杂基等发生溶蚀形成杂基溶蚀孔,连通孔隙、喉道进一步减少,孔隙结构特征如图8c所示,小喉道占比高,敏感性普遍较强(表3)。

4)Ⅳ类蚀变杂基充填强压实致密成岩相:该类成岩相碎屑颗粒呈漂浮状,基底式胶结。碎屑颗粒多以浅变质塑性软岩屑为主,云母和塑性软岩屑在强压实作用下发生变形、破碎、撕裂和位移,蚀变成伊利石和高岭石等微晶集合体充填孔隙,主要发育高岭石晶间孔(图9d),孔隙结构特征如图8d所示,孔隙基本不连通,难以充注成藏(表3)。

5 结论与建议

1)临兴地区上古生界沉积经历由海相向陆相演化,受沉积、成岩作用影响,自上而下石英含量逐渐增多,长石含量逐渐减少,黏土矿物由以伊/蒙混层为主向伊利石+高岭石为主过渡,粒间孔减少,溶蚀孔增多。不同地层间流体敏感性存在差异,水敏、盐敏伤害普遍较强,酸敏、碱敏次之,纵向地层间酸敏与碱敏呈相反变化趋势。

2)储层敏感性受微观、宏观两类因素影响。微观上受黏土矿物种类、分布及孔隙结构影响,水敏、酸敏和碱敏伤害率与伊/蒙混层、绿泥石、高岭石含量正相关,自生搭桥式分布的矿物最易运移,堵塞喉道,对小孔喉储层伤害最强。宏观上受沉积、成岩作用影响,优势相带为硅质胶结粒间孔成岩相,沉积时水动力强,孔隙结构、物性好,敏感性较弱。

3)根据研究区纵向上岩性、物性变化,综合沉积、成岩作用差异,可开展储层敏感性预测,为钻完井、压裂、生产制定储层保护措施。但由于储层敏感性影响因素多、影响机理复杂,难以实现定量预测,将各类影响因素进行标准化,通过人工智能算法实现各类敏感性指数的定量预测是未来致密砂岩储层敏感性评价的发展方向。