李兆敏，趙艷玲，王海濤，趙清民，鹿 騰，徐正曉

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100089 )

0 引 言

近年來，頁巖油成為繼頁巖氣后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點(diǎn)，中國(guó)陸相頁巖油地質(zhì)評(píng)價(jià)方法已經(jīng)基本成熟，頁巖油勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)取得重要進(jìn)展[1-8]。江漢盆地潛江凹陷廣泛發(fā)育陸相鹽湖鹽間泥頁巖,有機(jī)質(zhì)含量較豐富,具備頁巖油成藏的石油地質(zhì)條件,對(duì)江漢盆地潛江凹陷鹽間儲(chǔ)層進(jìn)行研究對(duì)開拓中國(guó)非常規(guī)油氣勘探新領(lǐng)域具有重要意義[9-14]。

目前對(duì)江漢盆地潛江凹陷的勘探研究大多以地質(zhì)特征、儲(chǔ)層巖性特征為主。研究發(fā)現(xiàn)，江漢盆地潛江凹陷潛江組儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，白云石晶間孔發(fā)育，孔喉細(xì)小，排驅(qū)壓力較高；天然裂縫發(fā)育多為層理縫，局部發(fā)育高角度構(gòu)造縫，以層理縫-孔隙型為主，壓裂改造后，壓裂裂縫發(fā)育，縫網(wǎng)復(fù)雜；且儲(chǔ)層巖性特殊，富含水溶性礦物，淡水溶解可溶鹽類礦物后，改變了儲(chǔ)層物性[15-21]。目前現(xiàn)場(chǎng)已開展單井注水吞吐試采，試驗(yàn)結(jié)果表明滲吸油水置換、水溶鹽改善了儲(chǔ)層滲流能力，但多周期注水吞吐易造成鹽溶解，使地層垮塌虧空，引起套管變形、挫斷。針對(duì)上述問題，通過巖心滲吸-驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)合核磁共振、掃描電鏡等方法，觀察巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化，揭示不同礦化度的注入水對(duì)鹽間頁巖油巖心孔隙結(jié)構(gòu)的影響，探究不同礦化度的注入水對(duì)巖心滲流能力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心取自潛江凹陷潛江組潛四段下部王99井，巖性為白云質(zhì)泥巖。通過 X 衍射巖心薄片分析結(jié)果可知，巖樣中礦物平均含量分別為：鹽類礦物為9.71%，碳酸鹽礦物為41.44%，脆性礦物為41.71%，黏土礦物為7.14%。實(shí)驗(yàn)前將巖樣洗油烘干并氣測(cè)孔隙度和滲透率，其基本物性參數(shù)如表1所示。巖樣孔隙度由超低滲孔隙度測(cè)量?jī)x(YRD-CPOR200)測(cè)定，滲透率由串聯(lián)多量程壓力測(cè)試儀測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)流體為地層水(礦化度為301 001 mg/L)、中礦化度水(礦化度為150 498 mg/L)、低礦化度水(礦化度為75 249 mg/L)、超純水(礦化度為0 mg/L)。

表1 巖心基本物性參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 巖心靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置為核磁共振測(cè)試儀(磁體類型為永磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0.30±0.05T；圍壓不大于40.0 MPa，軸壓不大于38.0 MPa；實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃)。實(shí)驗(yàn)巖樣選用1號(hào)巖心，并將其沿直徑方向均勻切分為3段。實(shí)驗(yàn)方法：將烘干的巖心分別置于超純水、中礦化度水、地層水中靜態(tài)滲吸，待自發(fā)滲吸一定時(shí)間后，取出巖心，用吸水紙擦干表面水樣，測(cè)量其核磁T2譜。

1.2.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)巖樣選用2號(hào)巖心。實(shí)驗(yàn)步驟：①巖心抽真空24 h、飽和地層水45 h；②將巖心置于巖心夾持器中，將地層水置于中間容器，設(shè)置圍壓為1.5 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度80 ℃，以0.1 mL/min的驅(qū)替速度進(jìn)行驅(qū)替；③測(cè)定巖心初始滲透率后，換用中礦化度水驅(qū)替，保持驅(qū)替速度不變，驅(qū)替10倍孔隙體積后停止，保持圍壓和溫度不變，靜置12 h以上繼續(xù)驅(qū)替，測(cè)定巖心滲透率；④用同樣的方法測(cè)定低礦化度水、超純水驅(qū)替的巖心滲透率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 巖心靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)

2.1.1 核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果

核磁共振實(shí)驗(yàn)可以測(cè)定巖心內(nèi)不同孔徑的孔隙中的含液量，巖心飽和單相流體的T2譜可以反映其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。核磁共振譜圖橫坐標(biāo)弛豫時(shí)間與巖心孔隙半徑的關(guān)系為：

(1)

式中：ρ2為巖石的橫向表面弛豫率，μm·ms-1，用于表征巖石性質(zhì)；S為巖心孔隙表面積，μm2；V為巖心孔隙體積，μm3；Fs為幾何形狀因子，對(duì)于球形孔隙Fs等于3，對(duì)于柱狀孔隙Fs等于2；rc為孔隙半徑，μm。

由式1可知，弛豫時(shí)間和巖心孔隙半徑成正比，即巖心小孔隙對(duì)應(yīng)的表面弛豫時(shí)間短，大孔隙對(duì)應(yīng)的表面弛豫時(shí)間長(zhǎng)。T2譜曲線的縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值，信號(hào)幅值與巖心孔隙內(nèi)含有的流體體積成正比，據(jù)此可以通過弛豫時(shí)間及信號(hào)幅值來反映孔隙孔徑與流體飽和度，從而觀測(cè)不同孔隙中的流體分布和運(yùn)移狀況[22-25]。

通過巖心在地層水中滲吸的T2譜圖(圖1a)可以看出，巖心T2譜呈連續(xù)的雙峰特征且左峰面積大于右峰面積，表明小孔隙體積占總孔隙體積比例大，大孔隙體積占總孔隙體積比例小。自發(fā)滲吸前期，T2譜幅度增長(zhǎng)較快，自發(fā)滲吸24.0 h后，滲吸趨于穩(wěn)定；滲吸過程中，曲線振幅均勻增加，表明巖心孔隙中水含量逐漸增加。通過巖心在中礦化度水中滲吸的T2譜圖(圖1b)可以看出，巖心T2譜呈孤立的雙峰特征且左峰面積遠(yuǎn)大于右峰面積。左峰自發(fā)滲吸前20 minT2譜幅度變化較大，表明進(jìn)入巖心孔隙中的水量較多；滲吸中后期T2譜變化幅度微小，滲吸很快趨于穩(wěn)定。右峰隨自發(fā)滲吸時(shí)間延長(zhǎng)逐漸向左移動(dòng)，表明滲吸液所在孔隙的孔徑變小。通過巖心在超純水中滲吸的T2譜圖(圖1c)可以看出，巖心T2譜呈孤立的單峰特征。自發(fā)滲吸 24.0 h后，滲吸趨于穩(wěn)定。峰的左翼隨自發(fā)滲吸時(shí)間延長(zhǎng)而重合，表明小孔隙受毛細(xì)管力影響首先被充填；峰的右翼振幅逐漸增加，表明對(duì)應(yīng)孔隙中水量逐漸增加；同時(shí)波峰逐漸向右移動(dòng)，對(duì)比巖心在超純水中滲吸開始和結(jié)束時(shí)波峰對(duì)應(yīng)的T2時(shí)間(分別為13.35 ms和14.97 ms)，T2時(shí)間明顯增大，表明巖心孔隙在滲吸過程中變大。

圖1 巖心在不同流體中滲吸T2譜

2.1.2 巖心掃描電鏡結(jié)果

通過掃描電鏡觀察在不同礦化度水中滲吸后巖心的孔隙微觀結(jié)構(gòu)變化，根據(jù)能譜圖分析掃描電鏡圖像中的礦物組成，巖心掃描電鏡圖與能譜圖見圖2～4。由圖2～4可知，在模擬地層水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在4～15 μm，巖心多被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒表面多被石鹽(Hl)覆蓋；在中礦化度水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在3～11 μm，巖心多被石鹽覆蓋，孔隙局部放大顯示顆粒表面有石鹽覆蓋；在超純水中滲吸后，巖心孔徑集中分布在6～28 μm，但巖心內(nèi)石鹽含量大幅減少，孔隙局部放大顯示顆粒表面無石鹽覆蓋，且孔隙中短柱狀石膏(G)充填分布并有溶蝕現(xiàn)象。

結(jié)合巖心核磁共振T2譜圖和掃描電鏡結(jié)果，將在地層水中滲吸的巖心視為原始巖心，分別與在中礦化度水、超純水中滲吸后的巖心對(duì)比?？梢钥闯?，巖心在中礦化度水中滲吸后，含鹽量略有下降且孔隙尺寸變小，這是由于巖心發(fā)生水敏效應(yīng)，即水分子進(jìn)入黏土礦物晶層間降低晶片間作用力，使黏土礦物發(fā)生水化或膨脹，導(dǎo)致晶面間距增大，巖石有效孔隙度和孔喉半徑減小[26-27]。因此，巖心滲吸后期僅有少量液體滲入巖心，滲吸很快趨于穩(wěn)定；巖心在超純水中滲吸后，含鹽量大幅度下降且孔隙的孔徑變大，這是由于巖心內(nèi)孔隙表面可溶鹽類發(fā)生溶解，即巖心在油藏條件下，以地層水為溶劑，鹽處于特定的溶解平衡狀態(tài)，當(dāng)注入超純水時(shí)，巖心中作為溶劑的水相改變，作為溶質(zhì)的鹽的溶解量隨之增加[28]，導(dǎo)致孔喉尺寸變大，因此，巖心滲吸過程中T2譜波峰逐漸向右移動(dòng)。

圖2 巖心在地層水中滲吸能譜及掃描電鏡圖像

圖4 巖心在超純水中滲吸能譜及掃描電鏡圖像

2.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

2.2.1 驅(qū)替壓差變化

巖心水驅(qū)過程中驅(qū)替壓差及滲透率變化如圖5、表2所示。由圖5、表2可知：①在中礦化度水驅(qū)階段，巖心兩端驅(qū)替壓差逐漸增大，巖心滲透率下降。這是由于巖心礦物發(fā)生水敏效應(yīng)。巖心原始狀態(tài)處于高礦化度環(huán)境中，黏土礦物遇中礦化度水后發(fā)生水化、膨脹，在注入流體的作用下發(fā)生分散、運(yùn)移，從而減小或堵塞巖石的有效孔隙喉道，造成巖心滲透率下降，計(jì)算其水敏損害率為20.45%，損害程度為弱。②在低礦化度水、超純水驅(qū)階段，巖心兩端驅(qū)替壓差逐漸降低，滲透率分別增大34.76%、61.15%。這是由于巖心礦物發(fā)生鹽類溶解作用。隨著注入水礦化度的降低，巖心內(nèi)可溶鹽類的溶解平衡狀態(tài)發(fā)生改變，鹽溶量逐漸增加，致使巖心滲透率增大。超純水注入后巖心兩端驅(qū)替壓差再次下降，滲透率相比低礦化度水驅(qū)后提高19.58%，此結(jié)果表明注入水的礦化度越低，對(duì)巖心內(nèi)水溶性鹽的溶解作用越強(qiáng)，巖心滲透率提高幅度越大。

圖5 不同注入水情況下的驅(qū)替壓差

表2 不同注入水情況下巖心滲透率

Table 2 Core permeability under different types of injection water

注入水滲透率/mD地層水0.538中礦化度水0.428低礦化度水0.725超純水0.867

2.2.2 產(chǎn)出液中離子含量變化

在驅(qū)替過程中，巖心內(nèi)礦物成分發(fā)生溶解或溶蝕并隨注入液流出巖心，致使注入液中離子成分含量改變。水分析儀能夠?qū)α黧w中離子進(jìn)行定量表征，以明確驅(qū)替過程中注入液對(duì)巖心礦物的影響。

水分析儀檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3可知，巖心經(jīng)中礦化度水驅(qū)替，產(chǎn)出液中離子含量變化較?。粠r心經(jīng)低礦化度水、超純水驅(qū)替后，產(chǎn)出液中離子含量大幅增加，其中，經(jīng)低礦化度水驅(qū)替后鉀離子與鈉離子含量增長(zhǎng)17.09%，氯離子含量增長(zhǎng)13.24%；經(jīng)超純水驅(qū)替后各離子含量均有明顯上升。在實(shí)驗(yàn)過程中鹽間頁巖油巖心經(jīng)中礦化度水驅(qū)后，主要發(fā)生水敏效應(yīng)，僅有少量顆粒發(fā)生運(yùn)移、分散、脫離；巖心經(jīng)低礦化度水和超純水驅(qū)替后，主要發(fā)生鹽類溶解作用，巖心孔隙表面的鹽類溶解在注入水中并隨之流出巖心，從而造成巖心滲透率增大，且注入水的礦化度越低，巖心內(nèi)水溶性鹽的溶解量越大。

潛江組鹽間頁巖油區(qū)塊初期采用“衰竭式”開發(fā)，產(chǎn)量高，但產(chǎn)量下降較快。目前現(xiàn)場(chǎng)已開展單井注水吞吐、井組注水開采2種模式，注清水開發(fā)時(shí)，由于可溶性鹽類會(huì)發(fā)生溶解，使儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石的孔隙度和滲透率發(fā)生改變，從而改善了儲(chǔ)層滲流能力，減緩產(chǎn)量遞減，這是實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期增油的原因之一。但經(jīng)過多周期注清水吞吐，使得大量鹽類溶解，容易造成地層垮塌虧空，引起套管變形、挫斷。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)超純水確實(shí)可以溶解大量巖心內(nèi)水溶性鹽，改變儲(chǔ)層物性，而低礦化度水可以溶解巖心部分水溶性鹽，既可改善巖心的水敏效應(yīng)，又可有效提高巖心滲透率，且對(duì)地層的溶蝕作用較小，因此，建議研究區(qū)采用低礦化度水進(jìn)行開發(fā)。

表3 不同礦化度驅(qū)替液注入前后離子含量

3 結(jié) 論

(1) 利用核磁共振和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)研究不同礦化度注入水對(duì)巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響：中礦化度水中滲吸的巖心較快趨于穩(wěn)定且T2譜右峰逐漸向左移動(dòng)，巖心內(nèi)發(fā)生水敏效應(yīng)，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變小。超純水中滲吸的巖心T2譜波峰逐漸向右移動(dòng)，表明注入水逐漸向較大孔隙轉(zhuǎn)移，巖心內(nèi)可溶鹽類被超純水溶解，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變大。

(2) 中礦化度水進(jìn)入儲(chǔ)層后發(fā)生水敏效應(yīng)，導(dǎo)致巖心滲透率降低，低礦化度水、超純水會(huì)溶解巖心內(nèi)的可溶鹽類，導(dǎo)致巖心滲透率增大。

(3) 注入水礦化度越低，巖心內(nèi)水溶鹽的溶解作用越強(qiáng)，低礦化度水驅(qū)可以溶解巖心部分水溶性鹽，即可改善巖心的水敏效應(yīng)，可有效提高巖心滲透率。