路言秋

(中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015)

強水敏感性稠油油藏黏土熱膨脹性特征研究

——以金家油田沙一段為例

路言秋

(中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015)

摘要：金家油田沙一段稠油油藏儲層黏土含量高且具膨脹性，導(dǎo)致儲層強水敏性，制約油藏?zé)岵砷_發(fā)，為此開展了不同溫度條件下黏土膨脹性研究。測試實驗表明，其黏土礦物類型主要為鈣基蒙脫石，低溫(45℃地層溫度)條件下測試膨脹率平均為26.3%，儲層具強水敏性。差熱和熱重、高壓釜高溫實驗后樣品晶間距測試結(jié)果表明，在100 ℃以上的高溫條件下，蒙脫石脫水，晶間距變小，膨脹性減弱，水敏性變?nèi)?；?dāng)溫度達到300 ℃時，蒙脫石晶間距與標(biāo)準(zhǔn)晶間距相近，膨脹性基本消失。

關(guān)鍵詞：金家油田；沙一段；鈣基蒙脫石；膨脹特征

在油氣田開發(fā)過程中，由于外來流體與儲層中所含流體和儲層中普遍存在的黏土、碳酸鹽類礦物不匹配，導(dǎo)致儲層滲透能力下降，從而傷害儲層生產(chǎn)能力，儲層對外來流體的敏感程度稱為儲層敏感性。在儲層敏感性研究過程中，很多學(xué)者對常規(guī)注水開發(fā)的稀油油藏儲層敏感性進行了大量研究[1-6]，對于稠油熱采中高溫條件黏土轉(zhuǎn)化、黏土膨脹性等特征進行了一些有益研究[7-11]，本文對金家油田沙一段稠油油藏不同溫度條件下黏土礦物膨脹性進行研究，為沙一段稠油油藏?zé)岵砷_發(fā)提供依據(jù)。

1研究區(qū)概況

金家油田地處山東省桓臺縣境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造上位于東營凹陷次級構(gòu)造博興洼陷南部金家-樊家鼻狀構(gòu)造西南邊緣斜坡帶上，南部為魯西隆起，向北構(gòu)造變低。自下而上發(fā)育孔店組、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、東營組、館陶組等地層，局部東營組被剝蝕，沙一段與上覆館陶組呈角度不整合接觸關(guān)系，與下伏沙二段呈整合接觸關(guān)系。沙一段埋深較淺(760～1 100 m)，主要沉積類型為水下沖積扇和灘壩相，砂體膠結(jié)疏松，膠結(jié)類型主要為孔隙式，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)，巖性類型主要為巖屑長石砂巖，石英、長石含量較低，巖屑含量高(25%～50%)，巖屑類型主要為中性噴出巖、玄武巖、凝灰?guī)r等。沙一段儲層孔隙度平均為34.6%，滲透率平均為787×10-3μm2，具有高孔中低滲特征，儲層具有強的層內(nèi)、層間和平面非均質(zhì)性。微觀孔喉類型主要為小孔-細(xì)喉型，孔喉非均質(zhì)性較強。50 ℃地面原油黏度209～2 544 mPa·s，平均1 050 mPa·s，為普通稠油油藏。截至目前累計上報探明和控制儲量4 014×104t。自1989年投入開發(fā)以來，該油田開發(fā)效果較差，采出程度極低，這與沙一段高黏土含量以及黏土膨脹等因素密切相關(guān)。

2黏土礦物類型確定

儲層敏感性主要由儲層中黏土礦物的含量及類型控制。據(jù)X射線衍射分析，金家油田沙一段碎屑巖中的黏土含量很高，占全巖的21%，其中黏土礦物以蒙脫石為主。蒙脫石依據(jù)晶格類型、晶間距差異，可劃分為鈉基蒙脫石和鈣基蒙脫石，二者均具有一定膨脹性，但鈉基蒙脫石膨脹性遠大于鈣基蒙脫石，因此在研究膨脹性之前需明確蒙脫石類型。

用激光轟擊鈉、鈣基蒙脫石等礦物晶體時，礦物晶體就會產(chǎn)生振動并發(fā)生位移，從而散射出各自不同的拉曼位移譜系，以此可以判別蒙脫石類型。運用激光拉曼光譜儀對E3s13和E3s14兩個砂層組的2塊樣品進行測試，其拉曼位移分別為1 600 cm-1和1 590 cm-1，而鈣基性蒙脫石拉曼位移峰位區(qū)間一般為1 500～1 650 cm-1，因而確定蒙脫石類型為鈣基型，這與該塊富鈣的沉積環(huán)境有關(guān)。

3黏土礦物膨脹性實驗

3.1低溫膨脹性

低溫條件下膨脹率測定使用設(shè)備為NP-01型膨脹率測試儀。

實驗水采用蒸餾水；實驗溫度為45 ℃(地層溫度)；實驗樣品選用J10-14井E3s13層38-41樣品和J16-2井E3s14層47-51樣品，洗油巖心過目200篩,每層分作2份,每份5 g，共分成4份，靜置48 h后進行實驗。結(jié)果表明，45 ℃時38-41樣品蒙脫石膨脹率為32.5%，47-51樣品蒙脫石膨脹率為20%，二者平均為26.3%。

3.2高溫膨脹性

蒙脫石吸水、脫水引起的膨脹性變化與表層水、層間水(A位、B位)、晶格水三層水結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中主要受B位層間水影響，蒙脫石脫水規(guī)律可以通過差熱和熱重分析研究[8-9]。

3.2.1熱重(TGA)和差熱(DTA)測試

運用熱重-差熱分析儀對金家油田沙一段4塊樣品進行差熱和熱重測試，將測試結(jié)果結(jié)合紅外光譜(表1)進行了分析：

(1)當(dāng)平均溫度達到123 ℃之前，差熱曲線上出現(xiàn)一個放熱峰，峰域較窄，該峰主要是由于Si-O和Si-O-Si在較低溫度下伸縮及彎曲振動引起，熱重曲線上則表現(xiàn)為失重明顯，約為2.7%。在該峰域溫度下，蒙脫石因晶格受熱擺動而脫去表層水，相當(dāng)于紅外光譜465 cm-1低頻吸收區(qū)。

(2)平均溫度123～351 ℃，差熱曲線上表現(xiàn)為一個開闊的吸熱谷，失重約為1%。該溫度范圍內(nèi)，蒙脫石脫去層間B位水，相當(dāng)于紅外光譜1 640 cm-1中頻吸收區(qū)。

(3)平均溫度351～559 ℃，差熱曲線上表現(xiàn)為一吸熱谷，吸熱谷之前放熱峰不明顯，其失重約為1.4%，表明蒙脫石脫去層間A位水，相當(dāng)于紅外光譜3 430 cm-1吸收區(qū)。

(4)平均溫度559～802 ℃，曲線表現(xiàn)為一吸熱峰，失重約為4%，表明為蒙脫石大量脫羥，相當(dāng)于紅外光譜3 630 cm-1高頻吸收區(qū)。

綜上所述，該區(qū)蒙脫石的脫水規(guī)律為：蒙脫石在高溫條件下，隨著溫度升高，蒙脫石逐漸脫去表層水、層間B位水、層間A位水、羥基，表現(xiàn)為以下脫水過程：平均123 ℃脫去表層水，351 ℃脫去層間B位水，559 ℃脫去層間A位水，802 ℃脫羥基，見表1。

3.2.2高壓釜高溫實驗后蒙脫石晶格測定

(1)實驗條件。使用設(shè)備為CD-05型高壓釜，實驗樣品為J16-2井E3s14層3組各30克粉砂巖散樣(樣品號38-1、38-2、38-3)，模擬溫度100 ℃、200 ℃、300 ℃，介質(zhì)pH值9，模擬地層壓力為8 MPa(地層壓力)進行3次實驗，每次96 h，相當(dāng)于模擬現(xiàn)場燜井4天。實驗后散樣制備是用酒精分散，攪拌后用吸管取出一滴懸浮液滴在微柵上，涼干后即放入200CX型(美制)高分辨電子顯微鏡(HREM)鏡下觀察，分別對100 ℃、200 ℃、300 ℃實驗后樣品進行蒙脫石晶格測定，放大倍數(shù)為12×12×104倍。

表1　金家油田沙一段3、4層碎屑巖差熱與熱重分析綜合

(2)實驗結(jié)果分析。蒙脫石屬層架狀鋁硅酸鹽礦物，層與層呈規(guī)則平行堆垛，每個單位構(gòu)層由三個暗層和一個亮層共四層組成。3個暗層分別為SiO4基團層，Mg、Al離子層，SiO4基團層。Mg、Al離子層為中間暗層，色淺，呈虛線狀；SiO4基團層為兩側(cè)暗層，色暗，呈連續(xù)狀。1個亮層為層間域，它位于兩個單位結(jié)構(gòu)層面之間。

高壓釜100 ℃實驗后，蒙脫石晶間距很寬，顯示出明暗相間的圖案，測得晶間距為17.21；高壓釜200 ℃實驗后，蒙脫石晶間距與38-1樣(100 ℃)相比明顯減小，測得為15.63；高壓釜300 ℃實驗后，蒙脫石黑色晶格緊密排列，層間域已經(jīng)收縮，僅在外部邊沿有些亮層且具溶蝕后的蠕蟲狀外形，反映了蒙脫石的溶蝕特征，測得的蒙脫石平均晶間距為14.68。與蒙脫石標(biāo)準(zhǔn)晶間距14.2對比發(fā)現(xiàn)，100 ℃晶間距最大，此時蒙脫石膨脹性較強，隨溫度升高晶間距變小膨脹性減弱，至300 ℃，晶間距與蒙脫石標(biāo)準(zhǔn)晶間距接近，膨脹性基本消失。

3.2.3黏土礦物水敏感性測試實驗

黏土礦物的水敏感性主要由黏土礦物水化膨脹引起的，因而其膨脹性可以通過水敏感實驗來反映。為表征高、低溫條件下蒙脫石膨脹性特點，選取J16-2井E3s14砂層組同一部位相同巖性兩塊樣品進行45 ℃(地溫條件)和250 ℃高溫條件下水敏感測試實驗。從水敏感測試實驗曲線上可以看出，45 ℃時水敏指數(shù)高達0.97，表現(xiàn)為極強水敏性；而250℃高溫水敏指數(shù)為0.43(圖1)，則表現(xiàn)為中等偏弱水敏。實驗結(jié)果表明：低溫條件下儲層具強水敏性，而在較高溫度條件下，儲層敏感性減弱。

4結(jié)論與建議

(1)金家油田沙一段黏土含量高，主要黏土礦物為蒙脫石，蒙脫石類型為鈣基型，45 ℃(地溫條件下)膨脹率平均為26.3%，其膨脹性是引起金家油田強水敏性的主要原因。

圖1　不同溫度條件下水敏感實驗曲線

(2)蒙脫石在平均溫度123℃～351 ℃時，逐漸脫去層間B位水；而在平均溫度100～300 ℃時，隨溫度升高，蒙脫石晶間距由17.21減小至14.68，逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)晶間距14.2；水敏實驗表明45 ℃時巖樣表現(xiàn)為極強水敏性，250 ℃則表現(xiàn)為中等偏弱水敏性。說明了高溫條件下，隨溫度升高蒙脫石失水，晶間距減小，膨脹性減弱至接近消失，同時儲層水敏性表現(xiàn)為敏感性減弱。

(3)對于金家油田沙一段稠油油藏?zé)岵砷_發(fā)來說，應(yīng)減少水敏感性對儲層造成的傷害，在進行低溫帶防膨的同時還要考慮提高蒸汽的溫度和干度的方法，減弱高溫帶蒙脫石的水化膨脹性。

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編輯：李金華

文章編號：1673-8217(2016)01-0126-03

收稿日期：2015-09-07

作者簡介：路言秋，工程師，碩士，1982年生，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)主要從事稠油油藏開發(fā)地質(zhì)方面工作。

基金項目：國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項目(2011ZX05011-002)。

中圖分類號：T345

文獻標(biāo)識碼：A