趙金省,黃曉東,馬景洋,李 攀,侯 瑞

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第六采油廠,陜西 定邊 718606;4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第三采氣廠,內(nèi)蒙古 烏審旗 017300;5.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 天然氣評(píng)價(jià)項(xiàng)目部,甘肅 慶陽(yáng) 745000)

引 言

蘇里格氣田是鄂爾多斯盆地典型的致密砂巖氣藏,儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔喉大小以微納米孔喉為主[1-4],從而導(dǎo)致氣藏自然產(chǎn)能較低。為了提高氣井產(chǎn)能,氣井投產(chǎn)前通常要通過(guò)壓裂、酸化等方法進(jìn)行儲(chǔ)層改造。砂巖儲(chǔ)層由于石英含量較高,通常采用土酸體系進(jìn)行酸化,但氫氟酸處理地層時(shí),容易產(chǎn)生不溶性氟化物、氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽及硅膠等沉淀物,并吸附在顆粒表面,造成孔喉堵塞等二次傷害[5-6]。

盡管鹽酸對(duì)砂巖儲(chǔ)層的溶蝕效果不是最好,但在砂巖儲(chǔ)層改造過(guò)程中也不時(shí)用到鹽酸,比如對(duì)于一些近井地帶的酸化解堵[7]、前置酸液壓裂[8]、壓裂后降解壓裂液殘?jiān)鳛樘幚韯9-10]。王勇[7]針對(duì)砂巖油藏注水井近井地帶用鹽酸進(jìn)行解堵,基本無(wú)二次傷害。吳錦平等[11]提出用鹽酸酸化來(lái)解除砂巖儲(chǔ)層的傷害,施工見(jiàn)到了明顯的效果。顧燕凌等[12]針對(duì)隴東三疊系砂巖儲(chǔ)層物性差、喉道半徑小、填隙物含量高等特點(diǎn),提出用主體酸為鹽酸的前置酸壓裂工藝,取得了較好的增產(chǎn)效果。對(duì)致密儲(chǔ)層酸化后孔喉結(jié)構(gòu)變化,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者均進(jìn)行了針對(duì)性的研究。閆燕華等[13]采用掃描電鏡、全巖分析、鑄體薄片等方法對(duì)砂巖土酸酸化前后的礦物成分和孔喉結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了分析。陳劉瑜等[14]采用X射線衍射分析、核磁共振等手段對(duì)土酸作用后的頁(yè)巖孔隙體積、孔隙率、孔徑分布等微觀結(jié)構(gòu)物性參數(shù)進(jìn)行了分析。劉紅現(xiàn)[15]采用毛管流動(dòng)孔隙結(jié)構(gòu)儀分析了多氫酸酸化對(duì)砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。廖紀(jì)佳等[16]利用掃描電鏡、毛管流動(dòng)孔隙結(jié)構(gòu)儀對(duì)西峰油田長(zhǎng)8油層土酸處理前后的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明酸化后儲(chǔ)層有效喉道大小沒(méi)有得到明顯改善。Hanafy[17]和Gomaa[18]利用了核磁共振技術(shù)表征酸化前后砂巖樣品的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙體積的變化。Wu等[19]利用顯微鏡觀察了頁(yè)巖酸壓前后微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化。綜上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)砂巖儲(chǔ)層、頁(yè)巖儲(chǔ)層鹽酸處理工藝以及酸液處理后的微觀孔喉結(jié)構(gòu)的變化均進(jìn)行了相關(guān)研究,但是針對(duì)致密砂巖氣藏鹽酸處理對(duì)微觀孔喉分布的影響還未見(jiàn)有報(bào)到。針對(duì)此,考慮到致密砂巖氣藏在近井地帶解堵、前置酸壓裂和壓后返排過(guò)程中都可能會(huì)用到鹽酸,另外,氣體相對(duì)于原油更容易在在多孔介質(zhì)中流動(dòng),致密砂巖氣藏物性稍微的改善就會(huì)對(duì)氣體滲流帶來(lái)積極的響應(yīng),因此有必要從微觀孔喉結(jié)構(gòu)角度考察鹽酸處理后儲(chǔ)層物性的改變。本文選取鄂爾多斯盆地蘇里格氣田盒8儲(chǔ)層巖樣,利用核磁共振和CT掃描等手段對(duì)鹽酸處理前后巖心的微觀孔喉分布進(jìn)行分析,揭示了致密砂巖氣藏鹽酸處理對(duì)微觀物性改變的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)步驟

由于砂巖中除了含有白云石、方解石等碳酸鹽礦物,還含有一定量的長(zhǎng)石類的硅酸鹽礦物,包括鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石。這些礦物成分在酸性條件下易發(fā)生溶蝕反應(yīng)[20]。另外,有研究表明,砂巖中的伊利石和綠泥石等黏土礦物在溫度達(dá)到65 ℃以上時(shí)便可以和鹽酸發(fā)生反應(yīng)[21-22]。針對(duì)此,開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括巖樣酸化前后的核磁共振測(cè)試、CT掃描、礦物成分分析以及掃描電鏡,進(jìn)而分析致密砂巖注鹽酸對(duì)儲(chǔ)層物性的改善機(jī)理。

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品和設(shè)備

巖心樣品取自蘇里格氣田綏平1井盒8儲(chǔ)層,巖心尺寸和物性參數(shù)見(jiàn)表1。酸液采用12%的鹽酸溶液。測(cè)試巖樣微觀孔喉分布的設(shè)備包括MiniMR-HTHP型核磁共振儀、Xradia 510 Versa型巖心CT掃描測(cè)試儀和ProeMaster 33型全自動(dòng)高壓壓汞儀。

表1 鹽酸酸化巖心樣品參數(shù)Tab.1 Parameters of cores for hydrochloric acid acidification

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)巖樣烘干,采用覆壓孔滲儀測(cè)試滲透率和孔隙度,采用X衍射對(duì)巖心進(jìn)行黏土和礦物成分測(cè)試;

(2)采用核磁共振、掃描電鏡、CT掃描等手段對(duì)巖樣進(jìn)行測(cè)試和掃描,獲得巖樣原始的微觀孔喉分布;

(3)巖樣烘干,抽真空飽和12%的鹽酸溶液;

(4)飽和酸液后的巖心浸泡于12%的鹽酸溶液中,溫度80 ℃,壓力25 MPa,浸泡時(shí)間24 h;

(5)采用核磁共振、掃描電鏡、CT掃描等手段,對(duì)酸液浸泡后的巖心進(jìn)行測(cè)試和掃描,分析酸液浸泡前后巖心的微觀孔喉結(jié)構(gòu)變化,采用X衍射對(duì)巖心進(jìn)行黏土和礦物成分測(cè)試,測(cè)試巖心的滲透率和孔隙度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)核磁共振測(cè)試結(jié)果

由于核磁共振T2譜表示的是不同孔隙內(nèi)流體的橫向弛豫時(shí)間T2的分布。為了分析酸化前后巖心孔喉半徑分布的變化,需要將橫向弛豫時(shí)間T2轉(zhuǎn)化為孔隙半徑,即需要確定橫向弛豫時(shí)間T2和孔隙半徑r的轉(zhuǎn)換系數(shù)C。為此,通過(guò)高壓壓汞測(cè)試求得巖心的孔喉半徑分布曲線,再對(duì)比核磁共振T2譜分布曲線,便可確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C。

由1#巖心壓汞測(cè)試的孔隙半徑分布(圖1)和核磁共振測(cè)試的T2譜分布(圖2)對(duì)比可知,對(duì)于綏平1井巖心的孔隙半徑r和橫向弛豫時(shí)間T2之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)C=0.4/58.73=0.006 8,即

r=0.006 8×T2。

(1)

式中,r為孔隙半徑,μm;T2為橫向弛豫時(shí)間,ms。

圖1 1#巖心壓汞測(cè)試的孔隙半徑分布Fig.1 Pore size distribution of 1# core obtained by mercury injection test

圖2 1#巖心核磁共振測(cè)試的T2譜分布Fig.2 Pore size distribution of 1# core obtained by nuclear magnetic resonance test

根據(jù)計(jì)算出的孔隙半徑r和橫向弛豫時(shí)間T2之間的轉(zhuǎn)換系數(shù),將巖心酸化處理前后的核磁共振T2譜曲線轉(zhuǎn)換成孔隙半徑分布曲線,見(jiàn)圖3—圖5。借鑒基于T2譜的孔徑大小分類方法[23],可以按照T2的大小將孔隙分成四類,分別是微孔(T2<1 ms)、小孔(1 ms100 ms)。根據(jù)孔隙半徑r和橫向弛豫時(shí)間T2之間的轉(zhuǎn)換系數(shù),對(duì)應(yīng)的用孔隙半徑表示的四類孔隙是微孔(r<0.006 8 μm)、小孔(0.006 8 μm 0.68 μm)。

圖3 1#巖心注鹽酸前后孔隙半徑分布Fig.3 Pore size distributions of 1# core before and after hydrochloric acid injection

圖4 2#巖心注鹽酸前后孔隙半徑分布Fig.4 Pore size distribution of 2# core before and after hydrochloric acid injection

圖5 3#巖心注鹽酸前后孔隙半徑分布Fig.5 Pore size distribution of 3# core before and after hydrochloric acid injection

由巖心注鹽酸前后的孔隙半徑分布(圖3—圖5)可以看出,相比于原始巖心的孔隙半徑分布,3塊巖心酸液浸泡后的孔隙半徑分布產(chǎn)生了顯著的變化,且3塊巖心變化規(guī)律并不一致,1#和2#巖心酸液浸泡后巖心的孔隙半徑分布整體向左偏移,說(shuō)明峰值孔隙半徑減小,且酸化后的孔徑分布曲線左右兩端相比于酸化前上升,使得孔徑尺寸分布更加均勻。從四類孔隙的分布數(shù)值看(表2),1#和2#巖心酸化后的微孔和中孔的占比變化不大,小孔和大孔比例變化較大,以1#巖心為例,微孔增加了0.53%,中孔減少了1.34%,而小孔增加了8.71%,大孔減少了7.9%。2#巖心的孔徑分布變化和1#巖心類似。雖然酸化后巖心的孔徑分布整體左移,峰值孔隙半徑減小,但巖心的孔徑分布變得更加平緩,使得巖心內(nèi)的孔喉連通性變好,進(jìn)而使巖心的孔隙度和滲透率均有一定改善,其中1#巖心的孔隙度增加11.73%,滲透率增加36.81%,2#巖心的孔隙度增加24.96%,滲透率增加58.4%。對(duì)于3#巖心,由酸化前后的孔徑分布曲線可以看出,酸化后孔徑分布曲線右移,峰值孔隙半徑增大,而且相對(duì)于巖心原始的孔徑分布,除了部分小孔減少以外,微孔、中孔和大孔均增加。相比于1#和2#巖心,3#巖心酸化后的孔隙尺寸增加幅度更大,物性改善幅度也更大,孔隙度增加36.08%,滲透率增加63.64%。3塊巖心酸化后滲透率的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔隙度的增加幅度,這是因?yàn)樗嵋航莺?酸巖反應(yīng)容易造成顆粒脫落且產(chǎn)生新的沉淀物,且未進(jìn)行返排,反應(yīng)物滯留在巖心內(nèi),造成孔隙度的增加幅度較小,但由于酸液溶蝕有效地增加了孔隙連通性,從而造成滲透率的增大幅度大于孔隙度。

表2 巖心注鹽酸前后孔隙半徑分布Tab.2 Pore size distribution of cores before and after hydrochloric acid injection

由巖心注鹽酸前后的物性變化(表3)可以看出,3塊巖心酸化后孔隙度和滲透率均增大,但3#巖心相比于1#和2#巖心物性增加幅度更大。由巖心注鹽酸前后的礦物成分變化(表4)可以看出,1#和2#巖心中可以和鹽酸反應(yīng)的主要礦物有伊利石、伊/蒙間層和鐵白云石,酸化后伊利石、伊/蒙間層和鐵白云石含量均出現(xiàn)了不同程度的降低,酸化反應(yīng)的同時(shí)也會(huì)造成礦物顆粒脫落和運(yùn)移,進(jìn)而又會(huì)堵塞孔喉,從而改變孔徑分布,這也是造成巖心酸化前后孔徑分布變化的主要原因。對(duì)于3#巖心,除了含有伊利石、伊/蒙間層和鐵白云石外,還含有極易被鹽酸溶蝕的方解石,另外,3#巖心的原始孔隙度和滲透率較低,從而造成酸化后的孔隙度和滲透率增大幅度更大。

表3 巖心注鹽酸前后的物性變化Tab.3 Physical property change of cores before and after hydrochloric acid injection

表4 巖心注鹽酸前后的礦物成分變化Tab.4 Mineral composition change of cores before and after hydrochloric acid injection

(2)掃描電鏡結(jié)果

由巖心酸化前后的掃描電鏡照片(圖6,圖7)可以看出,酸化前,巖心內(nèi)呈現(xiàn)明顯的絲縷狀伊利石分布和粒間長(zhǎng)石,酸化后絲縷狀伊利石已經(jīng)明顯減少或不可見(jiàn),而且明顯增加了自生高嶺石。這和表4中反映的酸化后伊利石減少高嶺石增多是一致的?？梢?jiàn),巖心浸泡鹽酸后,鹽酸溶蝕伊利石后可以生成高嶺石,在充分的Al3+物質(zhì)來(lái)源的基礎(chǔ)上,呈酸性的流體、較強(qiáng)的流體動(dòng)力有利于Al3+的絡(luò)合、Na+和K+的遷移,可以形成晶形良好的自生高嶺石。

圖6 巖心酸化前的礦物微觀特征Fig.6 Micro characteristics of minerals before core acidification

圖7 巖心鹽酸酸化后的礦物微觀特征Fig.7 Micro characteristics of minerals after core acidification

(3)CT掃描結(jié)果

圖8 酸化前后的面孔率變化Fig.8 Area pore ratio change of core before and after acidification

為了避免驅(qū)替過(guò)程中酸液的突進(jìn)造成酸巖反應(yīng)不充分,實(shí)驗(yàn)中采用了巖心飽和酸液并浸泡的方法,這樣可以使鹽酸和礦物充分反應(yīng)。由圖8可以看出,酸化后的樣品沿Z軸方向界面的面孔率均有一定程度的增加,酸化前,巖心的面孔率分布在2.56%～10.04%,平均面孔率4.72%。酸化后,巖心的面孔率分布在3.07%～11.23%,平均面孔率5.56%,增加幅度在17.8%。

基于最大球法,利用球棍模型對(duì)孔隙進(jìn)行簡(jiǎn)化,并提取相應(yīng)的孔隙參數(shù)。酸化前后的孔隙分布和連通孔隙分布見(jiàn)圖9、圖10和表5。

由CT掃描結(jié)果可以看出,巖心酸化后總孔隙和連通孔隙均有了明顯的改善。酸化前,連通孔隙占到總孔隙的58%,連通孔隙度為2.74%。酸化后,連通孔隙占到總孔隙的80%,連通孔隙度為4.45%。

圖9 鹽酸酸化前后的孔隙分布Fig.9 Distribution of pores in core before and after acidification

圖10 鹽酸酸化前后的連通孔隙分布Fig.10 Distributions of connected pores in core before and after acidification

相比于酸化前,酸化后的總孔隙度增加了17.8%,但是連通孔隙度增加了62.4%?？梢?jiàn),針對(duì)致密砂巖鹽酸酸化,雖然總孔隙度的改善幅度不大,但可以較大幅度改善連通孔隙度,從而較大幅度改善滲透率。

3 結(jié) 論

(1)鹽酸在儲(chǔ)層條件下可以溶蝕砂巖中的伊利石、伊/蒙間層、方解石和白云石等礦物,酸液溶蝕后巖心的孔隙度和滲透率均有一定程度增加,由于顆粒運(yùn)移和新的沉淀物的產(chǎn)生滯留在大孔隙中,使得小孔隙增多,從而孔隙度的增大幅度小于滲透率的增大幅度,孔隙度的增大幅度為11.73%～36.08%,滲透率的增加幅度為36.81%～63.64%。

表5 酸化前后各類孔隙變化Tab.5 Variation of various pores in core before and after acidizing

(2)巖心中的礦物成分對(duì)酸化后的儲(chǔ)層物性改善程度影響較大,鹽酸溶蝕絲縷狀伊利石生成高嶺石,方解石和白云石等碳酸鹽巖礦物含量越高,鹽酸酸化后的物性改善效果越好。

(3)致密砂巖經(jīng)過(guò)鹽酸處理后,孔徑分布發(fā)生明顯改變,雖然酸化后微孔和小孔數(shù)量增多,但可以較大幅度改善連通孔隙度,從而較大幅度改善滲透率。