宋雨純,黃昊,周創(chuàng)飛,柯先啟,唐號(hào)迪,朱玉雙
(1.西北大學(xué)a.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.地質(zhì)學(xué)系,西安 710069;2.中國石油 長慶油田分公司a.第十一采油廠,西安 710021;b.第六采油廠,西安 710200;c.第五采油廠,西安 710200)
姬塬油田麻黃山地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡,長4+5和長6儲(chǔ)集層均屬于低孔、超低滲致密儲(chǔ)集層[1-5],原始地層條件下油氣滲流阻力大,需對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行壓裂酸化改造及注水,才能長期經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)[6-9]。隨著外來流體的進(jìn)入,儲(chǔ)集層與其相互作用,導(dǎo)致儲(chǔ)集層敏感性傷害,儲(chǔ)集層孔喉結(jié)構(gòu)遭到破壞,滲透率下降,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)能下降,油田開發(fā)效果差。因此,對(duì)儲(chǔ)集層敏感性的研究對(duì)于指導(dǎo)該地區(qū)油藏的后續(xù)高效開發(fā)有重要意義。
儲(chǔ)集層敏感性評(píng)價(jià)主要是在儲(chǔ)集層巖石礦物學(xué)、孔喉結(jié)構(gòu)等研究的基礎(chǔ)上,開展巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。前人對(duì)鄂爾多斯盆地不同區(qū)域、不同層系儲(chǔ)集層敏感性開展了大量研究,如選取鄂爾多斯盆地延長組長4+5 致密儲(chǔ)集層巖心樣品,開展驅(qū)替實(shí)驗(yàn),得出礦物組成及孔喉結(jié)構(gòu)是研究區(qū)致密儲(chǔ)集層敏感性主控因素的結(jié)論[10];以吳起油田寨子河地區(qū)延長組長6油層為例,在儲(chǔ)集層敏感性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,分析黏土礦物對(duì)致密儲(chǔ)集層敏感性的影響程度[11];研究鄂爾多斯盆地長7 段的應(yīng)力敏感性,發(fā)現(xiàn)巖石骨架的顆粒組分、顆粒粒徑、填隙物、孔隙結(jié)構(gòu)等對(duì)儲(chǔ)集層敏感性有影響[12];研究鄂爾多斯盆地姬塬油田長8 儲(chǔ)集層,發(fā)現(xiàn)成巖相帶的分布是影響儲(chǔ)集層敏感性的主要因素[13]。
雖然前人對(duì)鄂爾多斯盆地儲(chǔ)集層敏感性開展了大量研究,但缺乏對(duì)不同儲(chǔ)集層敏感性差異主控因素的分析。由于姬塬油田面積大,儲(chǔ)集層特征復(fù)雜,不同含油層在物源方向、沉積過程、后期成巖改造等方面均存在差異,不同層位和不同地區(qū)相同層位在儲(chǔ)集層物性差異較大。因此,分地區(qū)、分層位對(duì)儲(chǔ)集層敏感性進(jìn)行研究,有益于提高開發(fā)效果。
本文以鄂爾多斯盆地姬塬油田麻黃山地區(qū)長4+5和長6 儲(chǔ)集層為研究對(duì)象,利用巖心鑄體薄片、掃描電鏡觀察、X 射線衍射、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)等,對(duì)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層的敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià),并深入剖析其敏感性及敏感性差異的影響因素,為區(qū)域油藏的高效開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
姬塬油田麻黃山地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡(圖1),整體呈東高西低的單斜,受秦嶺造山帶強(qiáng)烈碰撞和快速隆升的影響,發(fā)育一系列低幅寬緩鼻狀隆起,總面積約1 150 km2。長4+5 和長6 油層組砂體普遍發(fā)育,屬三角洲前緣亞相,主要發(fā)育水下分流河道、水下分流間灣和水下天然堤微相。沉積過程中伴隨頻繁的震蕩運(yùn)動(dòng),三角洲前緣河道頻繁遷移改道,導(dǎo)致河道砂體呈透鏡狀,且隔夾層極其發(fā)育,不同井不同層位砂體厚度差異較大,砂體平面展布受物源控制,砂體規(guī)模以及連續(xù)性自上而下逐漸變差,河道砂體相互疊加,厚度大,平均厚度為21.0 m。
1.2.1 巖石學(xué)特征
研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層巖性以巖屑長石砂巖為主(圖2),石英、長石和巖屑的平均含量分別為31.8%、33.1%和20.8%。填隙物含量相對(duì)較高,平均為14.3%,填隙物主要是黏土礦物(高嶺石4.1%、綠泥石3.1%、水云母1.9%)、鐵方解石(3.0%)和硅質(zhì)(1.1%),含少量白云石、鐵白云石、重晶石等。
1.2.2 物性特征
研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層平均孔隙度為10.6%,平均滲透率為0.65 mD,長6儲(chǔ)集層平均孔隙度為9.4%,平均滲透率為0.25 mD,整體屬低孔、特低滲儲(chǔ)集層,長4+5儲(chǔ)集層物性好于長6儲(chǔ)集層。
1.2.3 孔喉結(jié)構(gòu)特征
研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層粒間孔呈不規(guī)則形、三角形、多邊形等,連通性較好,長石溶孔發(fā)育程度僅次于粒間孔,高嶺石充填孔隙發(fā)育程度低(圖3)。
長4+5 儲(chǔ)集層平均面孔率為6.84%,其中粒間孔為4.43%,長石溶孔為2.04%,巖屑溶孔為0.27%,晶間孔為0.10%;長6 儲(chǔ)集層平均面孔率為3.67%,其中粒間孔為2.00%,長石溶孔為1.35%,巖屑溶孔為0.17%,晶間孔為0.10%,其他孔隙為0.05%。
根據(jù)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的排驅(qū)壓力、中值半徑、退汞效率及進(jìn)汞飽和度,將研究區(qū)儲(chǔ)集層劃分為3類。
(1)Ⅰ類儲(chǔ)集層 排驅(qū)壓力相對(duì)較低,平均值小于0.5 MPa,中值半徑大于0.3 μm,平均退汞效率大于30%,平均最大進(jìn)汞飽和度大于85%(圖4a)。
(2)Ⅱ類儲(chǔ)集層 排驅(qū)壓力較高,平均值為0.5~1.5 MPa,平均中值半徑為0.2~0.3 μm,平均退汞效率為25%~30%,平均最大進(jìn)汞飽和度為75%~85%(圖4b)。
(3)Ⅲ類儲(chǔ)集層 排驅(qū)壓力高,平均值大于1.5 MPa,平均中值半徑小于0.2 μm,平均退汞效率小于25%,平均最大進(jìn)汞飽和度小于75%(圖4c)。
研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層以Ⅱ類為主,其次為Ⅰ類和Ⅲ類;長6儲(chǔ)集層以Ⅱ類為主,其次為Ⅲ類,Ⅰ類最少。
1.2.4 儲(chǔ)集層非均質(zhì)性
夾層是指小層內(nèi)部的非滲透層或低滲透層,夾層密度指統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)夾層總厚度與統(tǒng)計(jì)層段厚度的比值[14]。研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層滲透率級(jí)差、突進(jìn)系數(shù)和變異系數(shù)分別為13.7、1.6和0.4;長6儲(chǔ)集層滲透率級(jí)差、突進(jìn)系數(shù)和變異系數(shù)分別為11.7、1.6 和0.5。長4+5 儲(chǔ)集層平均夾層密度為0.36,平均夾層頻率為0.12層/m;長6儲(chǔ)集層平均夾層密度為0.33,平均夾層頻率為0.12層/m。研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層非均質(zhì)性較強(qiáng),長4+5 儲(chǔ)集層的滲透率級(jí)差略大于長6 儲(chǔ)集層,二者的突進(jìn)系數(shù)和變異系數(shù)差別不大,說明長4+5和長6 儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性相差不大,長6 儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性較長4+5儲(chǔ)集層弱。
為了明確姬塬油田麻黃山地區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層的敏感性特征,選取研究區(qū)6塊典型巖心樣品(表1),進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)。
表1 實(shí)驗(yàn)樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1.Basic data of experimental samples
造成速敏現(xiàn)象的原因分2 種:一是隨著流速增加,流體出現(xiàn)高速非達(dá)西流現(xiàn)象[15];二是儲(chǔ)集層中的注入流體流動(dòng)時(shí),隨著流速的變化會(huì)引起松散顆粒的運(yùn)移,在孔隙較小的喉道處堆積,從而造成儲(chǔ)集層滲透率的下降,導(dǎo)致產(chǎn)能降低[16]。
為了保證速敏實(shí)驗(yàn)的可靠性,模擬了研究區(qū)地層水的礦化度和離子類型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層的滲透率傷害率為41.27%~53.80%,總體屬于中等速敏,最小臨界流速為3.91×10-4mL/min;而研究區(qū)長6儲(chǔ)集層的滲透率傷害率為3.56%~16.50%,總體屬于弱速敏,最小臨界流速為0.77×10-4mL/min(表2)。長4+5儲(chǔ)集層的速敏性較長6儲(chǔ)集層強(qiáng)。
儲(chǔ)集層的水敏傷害是指由于較低礦化度的注入流體進(jìn)入儲(chǔ)集層后引起黏土礦物膨脹、分散和運(yùn)移,使得油氣滲流通道堵塞,儲(chǔ)集層滲透率下降的現(xiàn)象[17]。
研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層地層水礦化度為45.00 g/L,水敏實(shí)驗(yàn)以地層水和去離子水為流體介質(zhì),分別測(cè)定不同流體介質(zhì)下巖心的滲透率。結(jié)果表明,研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層的水敏指數(shù)為-0.018~0.350;長6 儲(chǔ)集層的水敏指數(shù)為-3.110~0.140,長4+5儲(chǔ)集層呈現(xiàn)無—中等偏弱水敏,長6 儲(chǔ)集層幾乎無水敏,注水開發(fā)適應(yīng)性較好(表3)。
表3 研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3.Results of water sensitivity experiments for Chang 4+5 and Chang 6 reservoirs in the study area
儲(chǔ)集層鹽敏傷害產(chǎn)生的原因是注入流體與黏土礦物發(fā)生反應(yīng),造成礦物層間結(jié)構(gòu)的破壞、水化膨脹等,使黏土礦物分離、剝落和運(yùn)移,在小孔喉處堆積,從而堵塞孔隙和喉道,使儲(chǔ)集層的滲透率降低[18]。
鹽敏實(shí)驗(yàn)中根據(jù)地層水水型及礦化度,配制4 種礦化度的CaCl2溶液及蒸餾水,分別測(cè)量具有不同礦化度流體的巖心樣品的滲透率,找到臨界礦化度,為研究區(qū)注水開發(fā)合理地注入流體礦化度提供依據(jù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,研究區(qū)長4+5儲(chǔ)集層的臨界礦化度為22.55~33.75 g/L,長6儲(chǔ)集層的臨界礦化度為33.75 g/L,鹽敏傷害程度較低,除MS16樣品外,均為弱鹽敏或無鹽敏;長6 儲(chǔ)集層的鹽敏性較長4+5 儲(chǔ)集層強(qiáng)(表4)。因此,針對(duì)長4+5 儲(chǔ)集層,在后期注水開發(fā)過程中,合理控制工作液和注入流體礦化度,可有效地降低儲(chǔ)集層鹽敏傷害;鹽敏性對(duì)長6儲(chǔ)集層開發(fā)幾乎沒有影響。
表4 研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層鹽敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4.Results of salt sensitivity experiments for Chang 4+5 and Chang 6 reservoirs in the study area
酸液進(jìn)入地層后與某些礦物發(fā)生反應(yīng),可能產(chǎn)生膠質(zhì)、沉淀或釋放出微粒,堵塞孔隙和喉道,使儲(chǔ)集層滲透率下降,從而導(dǎo)致酸敏傷害[19-20]。
研究區(qū)地層溫度為68.2 ℃,本次酸敏實(shí)驗(yàn)在68.2 ℃下進(jìn)行,用土酸(12%HCl+3%HF)對(duì)巖心樣品進(jìn)行酸化處理,放置24 h,使酸液與巖心樣品充分反應(yīng),再測(cè)其滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表5),研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層注入酸液后的滲透率傷害率為16.89%~92.20%,為弱—強(qiáng)酸敏;長6 儲(chǔ)集層注入酸液后的滲透率傷害率為31.10%~70.32%,屬于中等—強(qiáng)酸敏,長6 儲(chǔ)集層的酸敏性較長4+5 儲(chǔ)集層強(qiáng)。因此,使用酸液對(duì)地層改造后,需加強(qiáng)流體返排,避免顆粒殘留在儲(chǔ)集層中,導(dǎo)致儲(chǔ)集層滲透率下降。
表5 研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層酸敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5.Results of acid sensitivity experiments for Chang 4+5 and Chang 6 reservoirs in the study area
堿敏是指堿液進(jìn)入儲(chǔ)集層后,OH-離子與地層水中的某些陽離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀;或與儲(chǔ)集層中的某些礦物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀,堆積在細(xì)孔喉處,導(dǎo)致滲透率降低[21-22]。
用pH 值相同的KOH 溶液進(jìn)行堿敏實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)溫度為68.2 ℃,多次向巖心樣品注入堿液,并測(cè)定滲透率,至滲透率穩(wěn)定后,改用地層水驅(qū)替,測(cè)定此時(shí)巖心樣品的滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,長4+5 儲(chǔ)集層的滲透率傷害率為30.84%~98.93%,屬于中—強(qiáng)堿敏;長6儲(chǔ)集層的滲透率傷害率為20.89%~78.72%,為弱—強(qiáng)堿敏(表6)。長4+5儲(chǔ)集層的堿敏性較長6儲(chǔ)集層強(qiáng)。
表6 研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層堿敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6.Results of alkali sensitivity experiments for Chang 4+5 and Chang 6 reservoirs in the study area
造成儲(chǔ)集層敏感性的原因較多,巖石礦物組成、物性、孔喉結(jié)構(gòu)等均可能成為儲(chǔ)集層敏感性的影響因素[23]。
研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層填隙物含量相對(duì)較高,平均為14.3%。黏土礦物的類型和含量是影響敏感性的重要因素[24],導(dǎo)致儲(chǔ)集層產(chǎn)生酸敏傷害的礦物主要是綠泥石,產(chǎn)生水敏傷害的礦物主要為高嶺石和伊利石。姬塬油田麻黃山地區(qū)長6 儲(chǔ)集層的綠泥石含量高于長4+5 儲(chǔ)集層,長4+5 儲(chǔ)集層的高嶺石含量高于長6儲(chǔ)集層。綠泥石與酸液反應(yīng)生成Fe(OH)3沉淀,堵塞孔隙和喉道,造成儲(chǔ)集層滲透率下降,表現(xiàn)出長6 儲(chǔ)集層的酸敏性較長4+5 儲(chǔ)集層強(qiáng),長6 儲(chǔ)集層幾乎無水敏,而長4+5 儲(chǔ)集層呈無—中等偏弱水敏。由此可見,儲(chǔ)集層酸敏傷害程度與綠泥石含量呈正相關(guān),水敏傷害程度與高嶺石含量呈負(fù)相關(guān)。
堿性流體會(huì)誘發(fā)黏土礦物失穩(wěn),黏土礦物在堿性環(huán)境下易于分散或運(yùn)移,同時(shí),大量的OH-離子與二價(jià)陽離子反應(yīng)生成的沉淀物也是造成儲(chǔ)集層堿敏傷害的主要原因。研究區(qū)較高的石英及長石含量導(dǎo)致了較高程度的堿敏傷害,同時(shí)也因?yàn)殚L4+5 儲(chǔ)集層的石英及長石含量較長6 儲(chǔ)集層高,堿性流體對(duì)長4+5儲(chǔ)集層造成了更高程度的堿敏傷害。
研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層的滲透率與孔隙度相關(guān)性較好,長4+5 儲(chǔ)集層的相關(guān)系數(shù)較長6 儲(chǔ)集層高(圖5)。由于儲(chǔ)集層孔隙和喉道堵塞,流體在孔隙中難以流通,因此除酸敏和堿敏外,其他的敏感性特征變化均較小。個(gè)別巖心樣品,如MS16 樣品呈現(xiàn)強(qiáng)鹽敏,MS15 樣品呈現(xiàn)弱酸敏,與長4+5 儲(chǔ)集層其他巖心樣品的敏感性差異較大,可能與儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性有關(guān),由于長4+5儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性較長6儲(chǔ)集層強(qiáng),導(dǎo)致了長4+5 儲(chǔ)集層個(gè)別巖心樣品敏感性特征與儲(chǔ)集層整體敏感性特征不符的現(xiàn)象。
研究區(qū)速敏傷害程度與膠結(jié)作用有關(guān),膠結(jié)作用會(huì)影響儲(chǔ)集層孔隙的發(fā)育。研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層常見的膠結(jié)類型為黏土礦物膠結(jié)(圖6a、圖6b)及碳酸鹽膠結(jié)(圖6c),膠結(jié)物堵塞孔隙和喉道,但綠泥石膜膠結(jié)(圖6d)可以保護(hù)原生孔隙,長6儲(chǔ)集層發(fā)育綠泥石膜膠結(jié),因此,研究區(qū)長4+5 儲(chǔ)集層的速敏傷害程度較長6儲(chǔ)集層高。
長4+5 儲(chǔ)集層平均面孔率為6.84%,其中粒間孔為4.43%,長6 儲(chǔ)集層平均面孔率為3.67%,粒間孔為2.00%。長4+5 儲(chǔ)集層的孔喉結(jié)構(gòu)較長6 儲(chǔ)集層好,但在敏感性實(shí)驗(yàn)中,長4+5 儲(chǔ)集層的敏感程度整體較長6 儲(chǔ)集層強(qiáng),可以認(rèn)為研究區(qū)儲(chǔ)集層的敏感性與孔喉結(jié)構(gòu)呈負(fù)相關(guān),也可能是在各影響因素的綜合作用下呈現(xiàn)這樣的結(jié)果。
研究區(qū)長4+5和長6儲(chǔ)集層具有強(qiáng)酸敏和強(qiáng)堿敏特征,應(yīng)盡量避免使用鹽酸酸化增產(chǎn),可用體積壓裂、沖砂洗井等方式替代。如若必須采用酸化壓裂儲(chǔ)集層改造措施,需先優(yōu)化酸液體系及酸化工藝,并添加鐵離子穩(wěn)定劑或其他酸敏抑制劑,同時(shí)嚴(yán)格控制注入流體的pH 值,以避免酸敏傷害和堿敏傷害。儲(chǔ)集層改造過程中推薦應(yīng)用連續(xù)油管,可大幅縮短試油周期,減少配套工藝,且后期開發(fā)中,嚴(yán)格把控注入流體配伍性。在油井全生命周期內(nèi)減少儲(chǔ)集層傷害,最終達(dá)到提高采收率的目的。
雖然在敏感性實(shí)驗(yàn)中,研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層呈現(xiàn)出較弱的速敏和水敏,但還是要謹(jǐn)慎選擇注入流體的流速和礦化度。開發(fā)中,長4+5 儲(chǔ)集層的注入流體礦化度應(yīng)大于22.55 g/L,臨界流速應(yīng)保持在10.96×10-4mL/min;長6 儲(chǔ)集層的注入流體礦化度應(yīng)大于33.75 g/L,臨界流速應(yīng)保持在6.53×10-4mL/min,以免發(fā)生速敏、水敏和鹽敏傷害。
(1)研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層巖性以巖屑長石砂巖為主,屬于低孔、特低滲儲(chǔ)集層,長4+5 儲(chǔ)集層物性較長6 儲(chǔ)集層好。長4+5 儲(chǔ)集層平均面孔率為6.84%,長6儲(chǔ)集層平均面孔率為3.67%,兩者均以Ⅱ類儲(chǔ)集層為主。二者均具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,長6 儲(chǔ)集層略好于長4+5儲(chǔ)集層。
(2)研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層的敏感性均具有弱速敏、弱水敏、弱鹽敏、強(qiáng)酸敏和強(qiáng)堿敏的特點(diǎn)。長4+5 儲(chǔ)集層長石和石英含量較高,高嶺石含量較低,其堿敏性和水敏性均較長6 儲(chǔ)集層強(qiáng)。長6 儲(chǔ)集層綠泥石含量較高,酸敏性較高。此外,長4+5和長6儲(chǔ)集層普遍發(fā)育黏土礦物膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié),長6 儲(chǔ)集層還發(fā)育可以保護(hù)原生孔隙的綠泥石膜膠結(jié),因此,長4+5儲(chǔ)集層的速敏性較長6儲(chǔ)集層強(qiáng)。
(3)結(jié)合研究區(qū)長4+5 和長6 儲(chǔ)集層的巖石學(xué)特征、物性特征和孔喉結(jié)構(gòu)特征,確定了儲(chǔ)集層的傷害機(jī)理,在后續(xù)開發(fā)中,嚴(yán)格控制注入流體的pH 值,并添加鐵離子穩(wěn)定劑或其他酸敏抑制劑,長4+5 儲(chǔ)集層的注入流體礦化度應(yīng)大于22.55 g/L,流速應(yīng)保持在10.96×10-4mL/min;長6 儲(chǔ)集層的注入流體礦化度應(yīng)大于33.75 g/L,流速應(yīng)保持在6.53×10-4mL/min。