強(qiáng)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(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015)

強(qiáng)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(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015)

摘要：金家油田沙一段稠油油藏儲(chǔ)層黏土含量高且具膨脹性，導(dǎo)致儲(chǔ)層強(qiáng)水敏性，制約油藏?zé)岵砷_(kāi)發(fā)，為此開(kāi)展了不同溫度條件下黏土膨脹性研究。測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試膨脹率平均為26.3%，儲(chǔ)層具強(qiáng)水敏性。差熱和熱重、高壓釜高溫實(shí)驗(yàn)后樣品晶間距測(cè)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(dá)到300 ℃時(shí)，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(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于外來(lái)流體與儲(chǔ)層中所含流體和儲(chǔ)層中普遍存在的黏土、碳酸鹽類礦物不匹配，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透能力下降，從而傷害儲(chǔ)層生產(chǎn)能力，儲(chǔ)層對(duì)外來(lái)流體的敏感程度稱為儲(chǔ)層敏感性。在儲(chǔ)層敏感性研究過(guò)程中，很多學(xué)者對(duì)常規(guī)注水開(kāi)發(fā)的稀油油藏儲(chǔ)層敏感性進(jìn)行了大量研究[1-6]，對(duì)于稠油熱采中高溫條件黏土轉(zhuǎn)化、黏土膨脹性等特征進(jìn)行了一些有益研究[7-11]，本文對(duì)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(jìn)行研究，為沙一段稠油油藏?zé)岵砷_(kāi)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(tái)縣境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造上位于東營(yíng)凹陷次級(jí)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(yíng)組、館陶組等地層，局部東營(yíng)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(zhǎng)石砂巖，石英、長(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)層具有強(qiáng)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(qiáng)。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(jì)上報(bào)探明和控制儲(chǔ)量4 014×104t。自1989年投入開(kāi)發(fā)以來(lái)，該油田開(kāi)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(chǔ)層敏感性主要由儲(chǔ)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(yuǎn)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(shí)，礦物晶體就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(yùn)用激光拉曼光譜儀對(duì)E3s13和E3s14兩個(gè)砂層組的2塊樣品進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)

3.1低溫膨脹性

低溫條件下膨脹率測(cè)定使用設(shè)備為NP-01型膨脹率測(cè)試儀。

實(shí)驗(yàn)水采用蒸餾水；實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃(地層溫度)；實(shí)驗(yàn)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(guò)目200篩,每層分作2份,每份5 g，共分成4份，靜置48 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，45 ℃時(shí)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(guò)差熱和熱重分析研究[8-9]。

3.2.1熱重(TGA)和差熱(DTA)測(cè)試

運(yùn)用熱重-差熱分析儀對(duì)金家油田沙一段4塊樣品進(jìn)行差熱和熱重測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果結(jié)合紅外光譜(表1)進(jìn)行了分析：

(1)當(dāng)平均溫度達(dá)到123 ℃之前，差熱曲線上出現(xiàn)一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)開(kāi)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(guò)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(jiàn)表1。

3.2.2高壓釜高溫實(shí)驗(yàn)后蒙脫石晶格測(cè)定

(1)實(shí)驗(yàn)條件。使用設(shè)備為CD-05型高壓釜，實(shí)驗(yàn)樣品為J16-2井E3s14層3組各30克粉砂巖散樣(樣品號(hào)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(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，每次96 h，相當(dāng)于模擬現(xiàn)場(chǎng)燜井4天。實(shí)驗(yàn)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(duì)100 ℃、200 ℃、300 ℃實(shí)驗(yàn)后樣品進(jìn)行蒙脫石晶格測(cè)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(shí)驗(yàn)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(gè)單位構(gòu)層由三個(gè)暗層和一個(gè)亮層共四層組成。3個(gè)暗層分別為SiO4基團(tuán)層，Mg、Al離子層，SiO4基團(tuán)層。Mg、Al離子層為中間暗層，色淺，呈虛線狀；SiO4基團(tuán)層為兩側(cè)暗層，色暗，呈連續(xù)狀。1個(gè)亮層為層間域，它位于兩個(gè)單位結(jié)構(gòu)層面之間。

高壓釜100 ℃實(shí)驗(yàn)后，蒙脫石晶間距很寬，顯示出明暗相間的圖案，測(cè)得晶間距為17.21；高壓釜200 ℃實(shí)驗(yàn)后，蒙脫石晶間距與38-1樣(100 ℃)相比明顯減小，測(cè)得為15.63；高壓釜300 ℃實(shí)驗(yàn)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(chóng)狀外形，反映了蒙脫石的溶蝕特征，測(cè)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，100 ℃晶間距最大，此時(shí)蒙脫石膨脹性較強(qiáng)，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(cè)試實(shí)驗(yàn)

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(guò)水敏感實(shí)驗(yàn)來(lái)反映。為表征高、低溫條件下蒙脫石膨脹性特點(diǎn)，選取J16-2井E3s14砂層組同一部位相同巖性兩塊樣品進(jìn)行45 ℃(地溫條件)和250 ℃高溫條件下水敏感測(cè)試實(shí)驗(yàn)。從水敏感測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線上可以看出，45 ℃時(shí)水敏指數(shù)高達(dá)0.97，表現(xiàn)為極強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低溫條件下儲(chǔ)層具強(qiáng)水敏性，而在較高溫度條件下，儲(chǔ)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(qiáng)水敏性的主要原因。

圖1　不同溫度條件下水敏感實(shí)驗(yàn)曲線

(2)蒙脫石在平均溫度123℃～351 ℃時(shí)，逐漸脫去層間B位水；而在平均溫度100～300 ℃時(shí)，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(shí)驗(yàn)表明45 ℃時(shí)巖樣表現(xiàn)為極強(qiáng)水敏性，250 ℃則表現(xiàn)為中等偏弱水敏性。說(shuō)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(shí)儲(chǔ)層水敏性表現(xiàn)為敏感性減弱。

(3)對(duì)于金家油田沙一段稠油油藏?zé)岵砷_(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，應(yīng)減少水敏感性對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，在進(jìn)行低溫帶防膨的同時(shí)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(hào)：1673-8217(2016)01-0126-03

收稿日期：2015-09-07

作者簡(jiǎn)介：路言秋，工程師，碩士，1982年生，2009年畢業(yè)于中國(guó)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(kāi)發(fā)地質(zhì)方面工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目(2011ZX05011-002)。

中圖分類號(hào)：T345

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A