鄂尔多斯盆地中部上古生界盒8段储层特征及敏感性分析

赵 航,罗腾跃,魏 虎,李 洲

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安 710075;2.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院,河南南阳 473000)

鄂尔多斯盆地是我国主要的含油气盆地之一,上古生届气藏岩性较为致密,储层物性差、非均质性强、渗流能力弱等问题严重制约了致密砂岩油气藏长期稳产开发。盒8段作为苏里格气田主要的产气层位之一,大部分井产气效果并不理想。储层敏感性是影响油气田开发的主要因素之一[1],而研究区储层致密,孔喉结构复杂,孔隙内部比表面积较大,颗粒表面有大量黏土矿物吸附,而黏土矿物是影响储层敏感性的主要因素之一,大量学者研究认为,黏土矿物的含量、类型等均会对储层敏感性造成影响,从而影响孔隙度和渗透率,降低采收率[2-4],因此,为了解研究区目的层段产气差的原因,本文应用X衍射、全岩定量分析、薄片鉴定、水驱敏感性流动实验等方法,开展储层特征研究并进行敏感性实验,明确储层特征及其敏感性,为合理开发方式的选择提供一定的借鉴[5-8]。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是一个古生代稳定沉降的多旋回克拉通盆地,包括六个二级构造单元,即伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶皱带、伊陕斜坡、天环凹陷及西缘逆冲带。三级构造以鼻状构造为主,其中鄂尔多斯盆地中部区域是延安气田主要生产区块之一,位于伊陕斜坡南部,区内构造简单,构造断裂不发育。经过多期的构造运动,至晚石炭纪开始自下向上沉积了太原组、山西组、本溪组、石盒子组及石千峰等地层。本次研究的目的层段盒8段为上古生界主要的产气层段之一,含气性较好,发育一套辫状河三角洲沉积体系,主要为辫状河三角洲前缘亚相,砂体发育连续性较好,总体呈南北向展布。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

分析研究区目的层段的取心井资料、薄片鉴定资料及其光学性质可知,盒8段岩石石英含量77.36%,长石含量0.26%,岩屑含量22.38%,胶结物含量2%～28%,其中胶结物含量远大于杂基。胶结物主要为伊利石、高岭石、硅质和铁方解石,铁白云石、菱铁矿、磁铁矿等(表1)。碳酸盐类胶结物主要包括铁方解石、铁白云石、菱铁矿等,其中铁方解石相对含量较高,铁白云石在盒8段含量相对较少。

表1 研究区盒8段填隙物组分及含量

根据福克岩石分类法,盒8段岩石类型以岩屑砂岩为主,少数为岩屑石英砂岩、石英砂岩(图1)。盒8段储层砂岩以中-粗粒结构为主,颗粒分选以中等、中等-好为主。磨圆度主要为次棱、次圆-圆状,岩石结构成熟度和成份成熟度中等。支撑结构主要为颗粒支撑,颗粒间以点线接触为主,少数呈线、线-凹凸接触。胶结类型以孔隙式胶结为主,含少量的压嵌-薄膜式胶结,石英次生加大现象较为普遍。

图1 盒8段砂岩碎屑百分含量

2.2 黏土矿物类型

通过研究区x射线衍射分析、全岩定量分析等资料统计分析,目的层段黏土矿物含量3.90%～37.80%,平均含量17.15%,黏土类型主要为伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石。其中伊蒙混层相对含量最大,最高可达79%,绿泥石、高岭石次之,相对含量分别为14.80%和7.50%,伊利石含量最低,为1.54%(表2)。黏土矿物含量在盒8段自下而上逐渐增加。

2.3 储层孔隙结构特征

对研究区薄片资料统计分析可知,盒8段砂岩储层主要发育以下四种孔隙:原生粒间孔、次生溶孔、晶间孔和微裂隙。其中以次生溶孔和晶间孔为主,其次是原生粒间孔。盒8段孔隙度多分布在1.14%～13.68%,有效储层平均孔隙度为6.82%,渗透率分布在0.012×10-3～46.900×10-3μm2,有效储层平均渗透率0.55×10-3μm2,盒8段属于低-特低孔、特低渗储层(图2)。由渗透率和孔隙度交会图可知,孔隙度和渗透率具有良好的正相关性(图3)。

图2 研究区盒8段储层孔隙度与渗透率分布频率

图3 孔隙度和渗透率交会

根据压汞试验统计分析,盒8段砂岩储层排驱压力范围在0.03～98.18 MPa,平均4.27 MPa。最喉道直径一般小于6 μm,中值孔喉半径主要分布在 0.01～0.63 μm,平均0.03 μm,歪度系数分布在1.73～3.98,平均2.35。盒8段砂岩中值孔喉半径和歪度系数分布范围较大,表明该区上古生界主要储层喉道分布不均匀(表3)。

表3 研究区盒8段压汞参数统计

分选系数和均值系数可以反映孔喉分布的均匀程度,分选系数越小、均值系数越大,孔喉分布越均匀[9-10]。分析压汞曲线形态特征可知,研究区盒8段砂岩储层孔喉分布不均匀,孔喉连通情况较差。总体来看,该区上古生界盒8段储层岩性致密,孔隙度低,以小孔为主,喉道半径较小且分布不均匀,分选性较差(图4)。

图4 研究区上古生界盒8段压汞曲线形态

3 储层敏感性

储层敏感性是指在油气田勘探开发过程中,注入流体与储层发生各种物理和化学反应,使储层的孔隙度和渗透性发生变化,因此,需明确储层的敏感性及其影响因素。储层敏感性主要包括速敏、水敏、酸敏、盐敏和碱敏。

3.1 速敏性

注入流体的速度改变渗透率的现象称为速敏[11]。在进行敏感性实验之前,应该先排除流体流动对储层敏感性的影响因素,在室温25 ℃时,用矿化度21 739.30 mg/L模拟地层水。在不同流速下进行速敏性实验,确定临界流速,为其他敏感性实验消除速敏影响。研究区储层速敏指数26.02%～34.96%,主要为中等偏弱速敏(表4),其中最大临界流速为0.2 mL/min。因此,在注水开发过程中,注水速度不应超过最大临界流速,以此保护储层免受速敏伤害。

表4 研究区盒8段储层速敏性实验结果

表5 研究区盒8段储层模拟地层水速敏性实验结果

表6 研究区盒8段储层盐敏实验评价

研究区速敏矿物主要为高岭石(相对含量7.5%),伊利石(相对含量1.54%)。高岭石和伊利石虽为非膨胀性的矿物,但是稳定性较弱,在流体的作用力下,易沿解理脱落,分散成鳞片状的微粒,当微粒直径大于孔喉直径时,其分散运移时易发生“桥堵”,降低渗透率[12]。此外,高岭石遇水脱落,容易使石英颗粒固结程度降低,也发生微粒脱落,降低渗透率。研究区的伊蒙混层的含量较高(83%),控制该区储层速敏性。此外,目的层段的储层岩性较为致密,黏土矿物多呈薄膜式产出,成岩固结程度较为紧实。在流体剪切力的作用下,不易脱落,虽含速敏性矿物,但是相对含量均不高,故储层速敏性为中等偏弱-弱。

3.2 水敏

水敏是指黏土矿物遇水后产生膨胀、分散或絮凝等不稳定现象,导致储层渗透率下降。黏土矿物中,蒙脱石、伊利石和伊蒙混层属于膨胀型矿物,损害机理为吸水膨胀、堵塞狭小喉道,降低储层渗透率。其中蒙脱石产生强水敏,其次是伊利石。研究区水敏矿物主要为伊蒙混层、伊利石等黏土矿物,扫描电镜下呈不规则片状,略有弯曲,呈粒表薄膜状及粒间衬垫状产出,相对含量最高,与研究区水敏评价结果相符合(图5)。

a.伊蒙混层及少量伊利石等黏土矿物发育;b.层片状矿物充填粒间,受挤压变形,局部见伊利石、伊蒙混层等黏土矿物发育,见石英加大;c.岩性致密,孔隙发育差,残余粒间孔为主,其次为颗粒内溶孔等溶蚀孔隙,见层状晶间微裂缝,局部见大量伊利石、绿泥石、伊蒙混层等黏土矿物覆于粒表或充填孔隙;d.残余粒间孔及少量粒内溶孔,见伊利石、高岭石、伊蒙混层等黏土矿物发育;e.伊利石、伊蒙混层等黏土矿物,呈粒表薄膜状及粒间衬垫状产出;f.岩性致密,孔隙发育差,局部见大量伊利石、伊蒙混层等黏土矿物覆于粒表或充填孔隙

根据敏感性评价标准可知,研究区盒8段的水敏指数为38.10%～67.16%,平均46.33%,属中等偏强或强水敏。因此在后续油气田开发过程中,可以在注入液中加入适量防膨剂,保护储层,其次在储层改造中 “适度控液增砂、降低伤害、提高液体返排”,优选低伤害压裂液体系,提高砂比,从而提高单井产量。

3.3 盐敏

盐敏指含低矿化度的流体进入储层之后,由于黏土矿物表面的离子浓度高于外来流体,外来流体的水被吸附到黏土表面,引起黏土之间的双电层互斥,使黏土矿物体积增大导致储层渗透率下降的现象[13]。

对于存在水敏的地层,当矿化度降低时会导致黏土矿物晶层扩张增大、膨胀分散和运移;当矿化度升高时,黏土矿物颗粒会收缩、脱落影响渗透率。因此,必须进行盐敏实验,以了解不同矿化度下渗透率变化情况,从而确定临界矿化度。在0.02 mL/min和0.10 mL/min的流速下分别采用不同的矿化度进行盐敏实验,结果显示盐敏指数为31.65%～45.07%,平均36.94%,对照敏感性评价标准可知,研究区盒8段储层为中等偏弱盐敏,最大临界矿化度为16.30 g/L。因此,建议油田注入液体的矿化度大于最大临界矿化度16.30 g/L,以降低盐敏损害、提高开发效率。

3.4 酸敏

酸敏指黏土矿物与酸性流体发生化学反应,溶蚀孔隙或生成沉淀堵塞喉道影响储层渗透率。实验室使用矿化度21.74 g/L的模拟地层水,在室温25 ℃的条件下,用15%的HCl进行酸敏实验,结果显示,酸敏指数平均为16.88%,储层表现为弱酸敏。

研究区的酸敏矿物主要为绿泥石与铁方解石矿物等,一方面酸性流体与碳酸盐胶结物发生溶蚀,增大溶蚀孔隙和喉道,使渗透率升高[14];另一方面与富铁的绿泥石在pH为5～6时,发生反应,生成Fe(OH)3胶体,堵塞毛孔,伤害储层。由表7可以看出,储层显示弱酸敏,经酸化处理后储层的渗透率均有所下降,是因为储层中发育绿泥石(14.80%)含量明显大于铁方解石(1.67%)等酸敏性对储层有所改善的矿物含量,所以显示为弱酸敏。其中样品5中绿泥石含量(28.00%)远大于样品2中绿泥石的含量(4.00%),相较于样品2,样品5更容易受到酸液影响,酸敏指数结果符合预期。因此,在油气开发过程中,谨慎选择酸化作为储层改造的手段。

表7 研究区盒8段储层酸敏实验报告

3.5 碱敏

在油气田勘探开发过程中,大多数的工作液为碱性,在pH值高的溶液中,与黏土矿物、石英、长石等物质生成硅质沉积物,也会与Ca2+、Mg2+反应生成无法溶解的物质,这些物质会储存于孔隙和喉道中,导致渗透率降低[17]。因此需进行碱敏实验,确定临界pH值,提前采取措施,预防工作液损害储层。由研究区碱敏实验结果可知,随着pH值的不断增大,渗透率下降,研究区储层显示弱碱敏,主体临界pH值为10(表8)。研究区高岭石和储层中的硅质矿物是造成研究区碱敏损害的主要黏土矿物,且含量不高(14.18%),与碱敏性结果符合。

表8 研究区盒8段储层碱敏实验报告

3.6 其他敏感性因素分析

黏土矿物的类型、含量以及注入流体的性质在一定程度上影响储层的敏感性,主要是因为不同的黏土矿物对于不同类型流体所发生的物理化学反应不同。研究区敏感性大部分较弱,因此也反应了储层敏感性受多种因素的控制。通过绘制研究区孔隙度和敏感性关系图,发现储层的孔隙度特征与敏感性具有一定的相关性(图6),储层孔隙度越好,敏感性受到的影响越小,孔隙度差的储层更容易受到外部流体的影响,主要是因为储层孔隙度特征与孔喉结构存在一定的相关性,孔隙度较差的时候,孔喉结构也更复杂,当外部流体与其中黏土矿物发生反应时,即使黏土含量不多,也更容易显现出来,使储层遭受更大的损害,尤其是因黏土矿物的膨胀、脱落和运移时产生的敏感性,如水敏、速敏、盐敏等,孔隙度越差,敏感性越强,这种规律就越明显。但是并非所有孔隙度差的敏感性都强,如表6中,在同样的流速下,样品10的孔隙度小于样品9的孔隙度,但样品10的盐敏指数却小于样品10的盐敏指数,因此也反应出,储层敏感性受多重因素控制。

图6 储层孔隙度与敏感性关系

4 结论

1)鄂尔多斯盆地中部盒8段岩石类型以岩屑砂岩为主,为低-特低孔、特低渗储层,储层物性特征相对较差,喉道半径较小,孔隙以小孔为主,分选性较差。

2)敏感性实验表明,鄂尔多斯盆地中部盒8段储层具有弱-中等偏弱速敏、强-中等偏强水敏、弱酸敏、中等偏弱盐敏、弱碱敏等特点。研究区受盐敏、水敏影响的可能性较大,因此,在后续开发过程中应注意水敏、速敏和盐敏对储层的影响,在储层改造中适度控液增砂,提高砂比,优选低伤害工作液,保护储层,提高单井产量。

3)储层的敏感性主要受储层中黏土矿物类型和含量等因素的影响,储层物性结构对敏感性也存在一定的负相关性,当储层物性差时,敏感性增强。