2. 陕西省能源化工研究院, 西安 710069;
3. 怀俄明大学能源学院, 美国怀俄明州拉勒米 82071;
4. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 西安 710075
2. Shaanxi Provincial Institute of Energy Resources & Chemical Engineering, Xi'an 710069, China;
3. School of Energy Resources, University of Wyoming, Laramie 82071, Wyoming, USA;
4. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group) Co. Ltd., Xi'an 710075, China
0 引言
鄂尔多斯盆地是我国致密砂岩油藏分布的典型代表区域。据不完全统计[1]，截止2015年底，陕北地区中生界已探明石油储量为54.6亿t，其中70%以上的油气资源赋存在延长组致密砂岩中。油气藏投入开发后，致密砂岩储层由于其超低的孔渗、多样化的矿物组成、复杂的孔隙结构[2-4]，使储层与外来流体相互作用或地层压力状态发生改变，并引起储层孔隙度和渗透率的敏感性变化，进而导致油层产能不同程度地被损害[5]。所以，鄂尔多斯盆地陕北地区延长组致密砂岩储层敏感性评价至关重要。然而，长4+5储层作为陕北地区主力产油层之一，至今尚未见系统的储层敏感性研究。本文选取陕北地区某油田长4+5储层岩样，在储层物性、岩石学、孔隙结构特征研究的基础上，基于大量的天然岩心驱替实验，开展储层敏感性评价研究。这不仅为该区油气勘探开发提供理论依据，也可为同类油藏提供借鉴参考。
1 储层基本特征 1.1 岩石学特征储层岩石类型、矿物组成等影响着储层的孔隙结构和储层物性[6-7]。研究区长4+5致密砂岩储层具长石质量分数高、石英质量分数低、岩屑质量分数中等的特点，且岩屑主要为变质岩屑和云母类。岩石类型为细粒长石砂岩；磨圆度以次棱角状为主，分选较差；成分成熟度偏低，结构成熟度为中等。
利用X射线衍射物相分析技术对研究区长4+5岩样进行物相定量检测(图 1)。检测结果显示：研究区长4+5储层斜长石质量分数较高，平均为51.64%；石英和正长石次之，平均质量分数分别为26.34%、13.87%；且含有酸敏矿物铁白云石以及少量黏土矿物。所含黏土矿物主要有绿泥石、高岭石、伊利石、绿/蒙混层和少量的伊/蒙混层。绿泥石平均相对质量分数为67.39%；高岭石平均相对质量分数为10.10%；伊利石平均相对质量分数为7.05%；无蒙脱石，蒙脱石主要以绿/蒙混层和伊/蒙混层的形式存在；绿/蒙混层相对质量分数为8.00%~21.00%，平均为12.59%；伊/蒙混层相对质量分数较小，平均为2.87%。
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| a.矿物质量分数; b.黏土矿物质量分数。 图 1 研究区X射线衍射物相定量分析 Figure 1 X-ray diffraction phase quantitative analysis in the study area |
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孔隙结构特征可从微观上反映储层孔隙与喉道的几何形态、大小、分布及相互连通情况。研究区长4+5储层孔隙类型有粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔、晶间孔、杂基溶孔和微裂隙，以粒间孔为主，其次为长石溶孔和岩屑溶孔(图 2)。
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| 图 2 陕北地区长4+5储层孔隙类型 Figure 2 Pore types of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area |
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通过铸体薄片和扫描电镜观察，陕北地区长4+5储层砂岩颗粒之间接触关系以点至线状为主；胶结类型以孔隙至薄膜型为主；喉道以片状细喉道为主。
压汞资料分析表明，研究区长4+5油层排驱压力为0.22~0.49 MPa，喉道中值半径平均为0.55 μm，喉道分选好，分选系数为2.79，孔隙直径为10.00~100.00 μm，平均为55.7 μm，属中孔细喉型孔喉组合。
典型压汞毛管力曲线(图 3)形态整体靠近右上方，且呈现出明显的起始“垂直上升期”和中部“爬坡期”。此特征说明研究区储层孔道大小分布不集中，分选差，偏于细歪度，且在东部地区孔隙结构较好，向西变差。
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| 图 3 陕北地区长4+5储层典型毛管压力曲线 Figure 3 Typical capillary pressure curves of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area |
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研究区长4+5储层100余块岩心分析资料显示，储层渗透率集中为(0.10~1.00)×10-3μm2, 平均渗透率0.41×10-3μm2；孔隙度集中为8.0%~12.0%，平均11.2%。从岩样渗透率、孔隙度分布图(图 4)中可以看出，渗透率与孔隙度无明显的对应变化关系，即渗透率受孔隙度控制作用不明显[8]，这是致密储层的物性特征。引起此变化的主要原因在于研究区岩样喉道半径较小，且分布范围较窄。致密储层中喉道是控制储层渗透性能的主因[9]。
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| 图 4 陕北地区长4+5储层孔渗参数分布 Figure 4 Porosity and permeability distribution of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area |
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据石油天然气行业标准SY/T 5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》[10]对储层岩样进行敏感性评价。实验所用流体均为按地层流体分析结果进行配置的模拟油、模拟地层水。所用岩样均为研究区不同取样井的长4+5储层天然岩样。
2.1 流速敏感性流体以一定的速度流经储层时，必然会引起储层颗粒的运移，进而堵塞孔隙吼道，造成储层渗透能力下降[11-12]。速度不同，引发的渗透率损害程度不同。一般用岩样的速敏损害率(Dv)来表征其渗透能力的损坏程度。若不同流速下岩样的渗透率损害率(Dvn)为
(1) 则
(2) 式中：Kn为岩样渗透率(不同流速下测得)，10-3μm2；Ki为初始渗透率，10-3μm2。
速敏实验结果(图 5)表明，岩样的速敏损害率近50%，属于中等偏强。且损害程度与岩心初始渗透率密切相关。初始渗透率越低，其损害程度越高。以Dvn超过20%(渗透率比值低于80%)时的上一实验流速作为该岩样在此实验条件下的临界流速，本次速敏评价实验的临界流速为1.0 mL/min。
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| 图 5 速敏实验曲线 Figure 5 Velocity sensitivity experiment curve |
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当注入流体矿化度较低时易引起黏土矿物的水化、膨胀、分散和运移，导致储层渗透性能下降。表征岩样的水敏感性的参数为水敏损害率(Dw):
(3) 式中，Kw为岩样经蒸馏水测得渗透率，10-3μm2。
水敏实验结果(图 6)表明，岩样的水敏损害率近40%，反映该区致密储层的水敏性属中等偏弱。
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| PV为注入流体总量占岩样孔隙体积的倍数的单位。 图 6 水敏实验曲线 Figure 6 Water sensitivity experiment curve |
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当注入流体矿化度与地层流体不配伍时易引起黏土颗粒的分散、运移，由此改变流体渗流通道，进而降低储层渗透性能。表征岩样的盐敏感性的参数为盐敏损害率(Dsn):
(4) 式中，Ksn为不同矿化度盐水测得渗透率，10-3μm2。
由于该区岩样水敏损害率超过20%，具中等偏弱水敏，所以必须进行盐度降低敏感性评价实验，以保证盐敏损害程度的对比基数是相对准确的。
实验结果(图 7)表明，随注入流体矿化度降低，岩样的渗透率降低。以盐敏损害率大于20%时的上一实验流体矿化度作为该岩样在此实验条件下的临界矿化度，本次盐敏评价实验的临界矿化度为8 500 mg/L。
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| 图 7 盐敏实验曲线 Figure 7 Salt sensitivity experiment curve |
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当注入流体呈酸性时，易与储层或地层流体发生反应，产生沉淀或使储层矿物颗粒脱落，最终导致储层渗透率发生变化。一般用岩样的酸敏损害率(Dac)来表征其渗透能力的损坏程度：
(5) 式中，Kacd为酸液处理后渗透率，10-3μm2。
酸敏实验结果(图 8)显示，由于实验样品的矿物质量分数不同，其酸敏损害率分别为-46%、11%和6%，表现出的酸敏强度为无酸敏到弱酸敏。
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| 图 8 酸敏实验曲线 Figure 8 Acid sensitivity experiment curve |
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注入流体呈碱性时，与储层及地层流体发生反应，产生沉淀或使储层矿物颗粒脱落，堵塞孔隙吼道，最终导致储层渗透能力发生变化。一般用岩样的碱敏损害率(Dal)来表征其渗透能力的损坏程度。若不同pH值碱液下岩样的渗透率损害率(Daln)为
(6) 则
(7) 式中，Kaln为不同pH值碱液下测得岩样渗透率，10-3μm2。
碱敏实验结果(图 9)表明，初始渗透率为0.630×10-3、0.222×10-3、0.160×10-3μm2的3块岩样的碱敏损害率分别为10.0%、23.4%和23.8%，属于弱碱敏性。且损害程度与岩心初始渗透率密切相关。初始渗透率高，其损害程度弱。以Dal超过20%时的上一实验流体pH值作为该岩样在此实验条件下的临界pH值，本次碱敏评价实验的临界pH值为8.5。
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| 图 9 碱敏实验曲线 Figure 9 Alkali sensitivity experiment curve |
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油田投入开发后，地层压力将发生变化，作用于储层颗粒的有效应力随之改变，并引起储层岩石颗粒的不可逆微变形，最终导致渗透率发生变化[13-14]。通过岩样的压敏损害率(Dst)来表征储层的压力敏感性强度。若不同净应力下的压敏损害率(Dstn)为
(8) 则
(9) 式中，Kstn为不同净应力下的岩样渗透率，10-3μm2。
本次实验采取围压变化方式来进行不同净应力模拟。实验结果(图 10)显示，4块岩样的压敏损害率为24%~91%，而致密岩样压敏损害率均在75%以上，属强压敏性。随着净上覆压力的增加，所有岩样的渗透率均下降，且下降幅度“先大后小”。另外，压敏性与岩心渗透率有必然联系。渗透率高，其压力敏感性弱；反之，压力敏感性强。因此，对致密砂岩储层，储层的压力管理显得尤为重要。
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| 图 10 压敏实验曲线 Figure 10 Pressure sensitivity experiment curve |
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储层敏感性主要受控于储层岩石矿物组成、孔喉结构以及流体性质。从储层基本特征出发，结合敏感性评价实验结果，分析敏感性形成机理。
3.1 速敏形成机理引起研究区储层速敏的内在因素主要包括黏土矿物和孔喉分布。
X衍射物相分析得出该区黏土填隙物有伊利石、高岭石、绿泥石、绿/蒙混层和少量的伊/蒙混层；而由不稳定组分——长石溶蚀形成的副产物高岭石(图 11a、b)，由于其晶片间靠分子键连接，连接力较弱。当流体流动时，颗粒容易被流体冲刷、运移，易运移的颗粒物加之半径较小的喉道，将比较容易形成桥堵，引起储层速敏。而绿泥石(图 11c、d)、绿/蒙混层等与碎屑颗粒链接较强且不易发生迁移[15-16]，则不会引起速敏。
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| a.长石颗粒被溶蚀；b.粒间孔隙中充填高岭石; c.粒间充填绿泥石；d.颗粒表面附绿泥石。 图 11 陕北地区长4+5储层扫描电镜照片 Figure 11 Scanning electron microscopy (sem) images of the Chang 4+5 reservoir in Shanbei area |
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黏土矿物以及储层孔隙结构是陕北地区延长组致密砂岩储层水敏及盐敏的主控因素。水敏是由于黏土矿物遇水膨胀引起；而盐敏除了水化膨胀堵塞吼道外，矿化度改变引起的储层流体离子强度突变同样也会造成蒙皂石、伊/蒙混层矿物的扩散运移。黏土矿物的膨胀能力由强至弱依次为：蒙脱石、伊/蒙混层、绿/蒙混层，而绿泥石、伊利石的膨胀性很弱，高岭石遇水不膨胀[16]。
根据黏土矿物组成分析结果(图 12)，得出造成该区储层水敏及盐敏的主要因素是绿/蒙混层及伊/蒙混层矿物的存在。值得提及的是，该研究区储层黏土绝对质量分数为0.8%~2.6%，这也是岩样水敏性相对较弱的原因。
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| 图 12 具水化膨胀能力的黏土矿物相对质量分数 Figure 12 Relative contents of clay minerals of hydration swelling capacity |
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研究区岩样显示无酸敏到弱酸敏，分析认为主要是由于引起酸敏的矿物成分及质量分数不同造成的。3组实验中，发生弱酸敏的2组岩样的成分中酸敏矿物铁白云石的质量分数分别为1.33%和1.55%，黏土矿物的质量分数分别为1.08%和1.16%(其中主要酸敏矿物绿泥石(图 11c、d)的质量分数分别占70.00%和76.00%)；而未表现出酸敏的岩样成分中不含酸敏矿物铁白云石，且其黏土矿物的质量分数明显低于前两者，为0.81%(其中绿泥石的质量分数占60.00%)。另外，未表现出酸敏的岩样中的方解石质量分数为1.53%，明显高于发生酸敏的2组岩样中方解石的质量分数(0%和0.45%)。通常情况下，方解石与酸反应不会产生一次沉淀，因此分析认为前述未表现出酸敏岩样的溶蚀作用大于堵塞作用，渗透率反而得到了提高。
对于研究区岩样发生酸敏的机理，主要是因为在酸性环境下，铁白云石和绿泥石等酸敏矿物中的Fe3+会逐渐析出，随着反应的进行，环境的酸性减弱，而OH-质量分数逐渐增加，加大了Fe3+与OH-的反应机会，最终生成Fe(OH)3胶体沉淀堵塞喉道，造成储层伤害。
3.4 碱敏形成机理碱敏形成机制主要源于碱液对石英、长石以及黏土矿物等不稳定矿物的溶解作用[14]。溶解作用产生的硅、铝在碱性环境中以胶体或颗粒的形式沉淀在孔喉处，对储层渗透率产生影响。除此，碱度过高的注入液使大量的OH-依附于黏土矿物表面，增加矿物晶体层间斥力，将诱发黏土矿物水化分散、结构失稳，大大增加颗粒堵塞储层孔道的可能性。
3.5 压敏形成机理研究区致密储层具有极其复杂的孔喉结构以及极易受压变形的片状喉道，加上岩石矿物中云母、黏土等塑性矿物的存在，是造成其具有压力敏感性的主要原因。其压敏程度主要依赖于孔喉结构、岩石组分及外界压力。本次实验以定回压(pb)、变围压(pc)的方式进行。则岩样的有效应力(peff)为：peff=pc－pb。围压越大，岩样的有效应力也越大。研究发现，随有效应力的增大，颗粒间相对位置发生变化，喉道收缩变形，同时塑性矿物被挤压变形，甚至破碎[16](图 13)，最终导致大量的孔喉被堵塞，引起渗透能力的下降。
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| 回压不变，围压pc(a) < pc(b)。 图 13 渗透率压力敏感性模式 Figure 13 Pattern of permeability stress sensitivity |
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1) 陕北地区延长组长4+5致密储层的敏感性主要表现为：中等偏强速敏、中等偏弱水敏、无酸敏到弱酸敏、弱碱敏、强压敏。3个特征临界值为：临界流速1.0 mL/min、临界矿化度8 500 mg/L、临界pH值为8.5。
2) 矿物组成及孔喉结构特征是陕北地区延长组长4+5致密储层产生敏感性的主控内在因素。其中，长石溶蚀形成的副产物高岭石极易发生运移，是引起储层速敏的主要原因；伊/蒙混层、绿/蒙混层的存在是造成储层水敏和盐敏的主要因素，而较低的黏土矿物质量分数又决定了其水敏性不强；铁白云石和绿泥石等酸敏矿物是引起储层酸敏的主要矿物成分，而方解石的存在一定程度上抵消了酸敏造成的储层伤害；孔喉结构复杂，片状喉道受压易变形，加上云母、黏土等塑性矿物的存在是造成储层具有强压敏的主要原因。
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