鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層應(yīng)力敏感性及主控因素

羅騰文，屈紅軍，王 斌，羅騰發(fā).

(西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

20世紀(jì)90年代我國學(xué)者陸續(xù)提出應(yīng)力敏感性對儲層的影響，應(yīng)力敏感性在儲層保護(hù)及油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域一直是研究熱點(diǎn)之一[1-3]。到目前為止，儲層應(yīng)力敏感性的存在與否還沒有明確的定論。國外學(xué)者Basan對油氣藏類型及損害原因等方面提出了經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)——地層損害指數(shù)(FDI)；CT及計算機(jī)模擬使得國外學(xué)者深化有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)中一系列流體運(yùn)動的研究。我國先后制定了一系列砂巖儲層流動性及敏感性等相關(guān)評價標(biāo)注，國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為儲層應(yīng)力敏感性是存在的，且普遍存在于低孔低滲儲層中，根據(jù)儲層滲透率的不同，應(yīng)力敏感性在低滲透儲層中更為明顯。國內(nèi)部分學(xué)者[4-6]認(rèn)為致密儲層應(yīng)力敏感性評價應(yīng)以原始儲層有效應(yīng)力為起點(diǎn)，這樣得出的應(yīng)力敏感傷害程度更符合儲層的真實(shí)情況；阮敏等[7-8]認(rèn)為低滲透油藏應(yīng)力敏感性的存在是由于微小孔道閉合引起滲透率降低所致；徐艷梅[9-11]認(rèn)為應(yīng)力敏感性對低滲透儲層滲透率的傷害具有永久性；王厲強(qiáng)等[12-13]通過對低滲透巖心微裂縫的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)認(rèn)為滲透率是應(yīng)力敏感性的主要表現(xiàn)；但也有部分學(xué)者[14-17]提出低孔低滲儲層實(shí)際強(qiáng)應(yīng)力敏感現(xiàn)象不存在，儲層開發(fā)過程中可以不考慮應(yīng)力敏感的影響，強(qiáng)應(yīng)力敏感現(xiàn)象是試驗(yàn)系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的結(jié)果，而非巖樣自身的性質(zhì)[18-19]。對于應(yīng)力敏感性的分歧主要是試驗(yàn)規(guī)范性不足、評價指標(biāo)不一所致，我們只有通過油田現(xiàn)場試驗(yàn)和統(tǒng)一評價方法與指標(biāo)，才能夠把握住低滲透儲層應(yīng)力敏感性的機(jī)理和影響因素。

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣，是華北地臺的二級構(gòu)造單元，古生代時期經(jīng)歷與華北地臺同樣的構(gòu)造演化以及沉積充填，主要受北側(cè)的興蒙海槽、南和西南緣的秦祁海槽的洋底擴(kuò)張以及大洋板塊的俯沖、消減作用控制[20]。大體經(jīng)歷了兩個過程：早古生代時期是陸表海，晚古生代為陸盆階段。從印支期—燕山期—喜山期，盆地東部地區(qū)始終處于構(gòu)造斜坡的上傾方位上，是天然氣運(yùn)移的有利指向區(qū)。

在油氣田的勘探與開發(fā)歷程中，勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向低滲透儲層，儲層物性特征和孔隙流體性質(zhì)的變化都會引起不同程度的儲層敏感性，進(jìn)而會對儲層造成損害，增加開采難度，儲層敏感性的存在是制約低滲透儲層高效開發(fā)的關(guān)鍵因素之一[19-22]。通過對鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力敏感性是研究區(qū)特低孔特低滲儲層傷害的主要形式[23]。為了探究應(yīng)力敏感的機(jī)理和主控因素，筆者按照行業(yè)規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力敏感性試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)分析研究區(qū)儲層的損害程度，證實(shí)鄂爾多斯盆地東部上古生界儲層存在應(yīng)力敏感現(xiàn)象，且對儲層的損害不可忽略。

1 儲層基本特征

砂巖儲集性能的好壞直接受其物質(zhì)組分和組構(gòu)的影響，它不僅影響砂巖儲集層原始孔隙的發(fā)育，在很大程度上也影響著成巖變化[21-23]。因此，砂巖儲集層的巖石學(xué)特征是研究成巖變化及孔隙結(jié)構(gòu)因素的主要依據(jù)，砂巖的巖石學(xué)特征是控制砂巖成巖作用的內(nèi)在因素，其作用不僅表現(xiàn)在砂巖的水巖反應(yīng)上，而且體現(xiàn)在砂巖的壓實(shí)作用上。在一定的成巖背景下，它決定著砂巖成巖作用的速率和規(guī)模，從而影響了砂巖的孔隙演化[24-26]。這種控制作用是通過砂巖的碎屑組分和結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)性質(zhì)不同而表現(xiàn)出來的。本文對研究區(qū)山西組、太原組、本溪組儲層進(jìn)行了巖心采集，綜合利用多種室內(nèi)分析測試資料和分析方法，對儲層進(jìn)行全面的綜合評價。

1.1 儲層巖石學(xué)特征

1.1.1 儲層骨架顆粒特征

研究區(qū)山西組、太原組、本溪組儲層巖石學(xué)類型均以石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖為主(圖1)。根據(jù)石英、長石、巖屑的相對含量可以看出，研究區(qū)山西組及太原組巖屑含量較高，本溪組的石英含量較高；研究區(qū)云母和重礦物不太發(fā)育，整體上小于2%。

圖1 研究區(qū)儲層砂巖成分三角圖Fig.1 Reservoir sandstone composition triangle Ⅰ.石英砂巖；Ⅱ.長石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長石砂巖；Ⅴ.巖屑長石砂巖；Ⅵ.長石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖

1.1.2 儲層填隙物特征

盆地東部儲層填隙物以伊利石、高嶺石、硅質(zhì)、碳酸鹽為主，還有少量的泥鐵質(zhì)、綠泥石及菱鐵礦等(圖2)。

圖2 研究區(qū)各層位膠結(jié)物組分直方圖Fig. 2 The histogram of cement component of each layers

由圖2可以看出，太原組填隙物含量最高，為16.3%；山1段及山2段填隙物含量分別為14.2%和15.6%；本溪組填隙物含量為14%。研究區(qū)填隙物以孔隙式充填為主，含量與孔隙度具有負(fù)相關(guān)性。

通過大量鑄體薄片鑒定資料統(tǒng)計各井填隙物含量得出，主河道填隙物含量較低，河道邊部填隙物含量較高。

1.2 儲層物性特征

通過對研究區(qū)山西組、太原組和本溪組孔隙度和滲透率的統(tǒng)計分析得出：山1段孔隙度分布在0.15%～16.29%區(qū)間，滲透率分布在0.002～26.16 mD內(nèi)；山2段孔隙度分布在0.27%～14.99%區(qū)間，滲透率分布在0.001～58.82 mD內(nèi)；山西組孔隙度平均值為5.11%，滲透率平均值為0.47 mD。太原組孔隙度分布在0.08%～13.26%區(qū)間，其平均值為6.24%；滲透率分布在0.002～14.31 mD內(nèi)，其平均值為0.36 mD。本溪組孔隙度分布在0.12%～14.98%區(qū)間，其平均值為5.13%；滲透率分布在0.003～12.68 mD內(nèi)，其平均值為0.405 mD。

根據(jù)《石油天然氣儲量計算規(guī)范》中的碎屑巖儲層劃分標(biāo)準(zhǔn)[27](表1)得出，研究區(qū)儲層為特低孔特低滲儲層。

表1 碎屑巖儲層孔隙度、滲透率評價分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criterion for porosity and permeability of clastic reservoir

2 儲層敏感性分析

應(yīng)力敏感是指巖石滲透率隨有效應(yīng)力(或稱凈圍壓)的增加而下降的現(xiàn)象，微觀機(jī)制是骨架顆粒的結(jié)構(gòu)隨巖石有效應(yīng)力的增加發(fā)生變形或破壞，使得粒間孔隙空間被填隙物充填，進(jìn)而滲透率逐漸降低[28-29]。應(yīng)力敏感有兩種形式：一種是常規(guī)條件下儲層物性與原地條件下物性測定值之間的差異，另一種是物性隨有效應(yīng)力的變化特性。

2.1 應(yīng)力敏感產(chǎn)生機(jī)理

2.1.1 孔喉縮減

在成巖作用過程中，經(jīng)歷固結(jié)、壓實(shí)作用使得儲層巖石結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖石骨架顆粒對外應(yīng)力的作用形變量微弱，因此孔隙體積也保持較小的變化[23]；由于孔喉間或骨架顆粒接觸面含有膠結(jié)物，在外應(yīng)力的作用下容易發(fā)生變形，比如泥質(zhì)膠結(jié)物。研究發(fā)現(xiàn)外應(yīng)力的增加與膠結(jié)物的形變量成正比，這也正是巖石孔喉半徑在外應(yīng)力作用下縮小的原因，試驗(yàn)所得的結(jié)果就是滲透率隨應(yīng)力的增加逐漸減小，使得巖樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。

2.1.2 微粒在孔隙內(nèi)運(yùn)聚

在孔隙內(nèi)流體的作用下，微粒從孔隙或微裂縫的縫壁被流體動力剝落，隨孔隙流體發(fā)生運(yùn)移，在孔喉處由于空間的窄小或流速的降低而發(fā)生會聚堵塞孔隙或喉道，進(jìn)而滲透率逐漸降低[26]，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。

2.2 儲層應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)室研究方法

2.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中保持進(jìn)口壓力值不變，緩慢增加圍壓，使凈圍壓依次為5 MPa、7 MPa、9 MPa、11 MPa、15 MPa、20 MPa，每一壓力點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定時間為30 min，測定不同壓力下的巖心滲透率。再緩慢減小圍壓，使凈圍壓依次為20 MPa、15 MPa、11 MPa、9 MPa、7 MPa、5 MPa，每個壓力點(diǎn)穩(wěn)定1 h，測定滲透率的恢復(fù)值，并通過繪制相關(guān)性圖件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行印證，確定應(yīng)力敏感性主控因素。

2.2.2 應(yīng)力敏感性評價指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按下式計算應(yīng)力敏感性引起的滲透率損害率Dk[28-29]：

(1)

式中Dk——應(yīng)力恢復(fù)到第一個應(yīng)力點(diǎn)后產(chǎn)生的滲透率損害率，%；

k1r——應(yīng)力恢復(fù)至第一個應(yīng)力點(diǎn)后的巖樣滲透率，mD。

應(yīng)力敏感性評價指標(biāo)見表2，試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖3所示。

表2 應(yīng)力敏感性評價指標(biāo)[30-32]Table 2 The evaluation index of stress sensitivity

表3 儲層應(yīng)力敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 3 The sheet of stress sensitivity test data

續(xù)表

圖3 儲層應(yīng)力敏感性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Reservoir stress sensitivity experiment results

通過對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析得出，研究區(qū)的平均應(yīng)力敏感傷害率為56.75%，山西組應(yīng)力敏感性突出，應(yīng)力敏感傷害程度整體表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)(表2、圖3)。

為了確定研究區(qū)應(yīng)力敏感性的空間分布特征，對3個層位分別進(jìn)行統(tǒng)計分析得出：本溪組儲層應(yīng)力敏感傷害率為44.60%，太原組儲層應(yīng)力敏感傷害率為53.19%，山西組儲層應(yīng)力敏感傷害率為54.72%(圖3)。根據(jù)儲層應(yīng)力敏感性評價指標(biāo)，研究區(qū)儲層應(yīng)力敏感性整體表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)。

2.3 研究區(qū)應(yīng)力敏感平面分布特征

通過對研究區(qū)山西組填隙物含量的統(tǒng)計，繪制出填隙物含量平面分布圖(圖6)。填隙物含量平面分布呈南北分異，北部填隙物含量高于南部，因此北部應(yīng)力敏感傷害程度高于南部，結(jié)合山西組應(yīng)力敏感傷害程度平面分布圖(圖4)可以得出：填隙物含量與應(yīng)力敏感傷害程度呈正相關(guān)。

為了揭示應(yīng)力敏感性平面分布特征，選取研究區(qū)主力儲層山西組進(jìn)行研究，結(jié)合平面分布圖及傷害程度類型圖，可以得出研究區(qū)山西組應(yīng)力敏感傷害程度分布規(guī)律為：以橫山—佳縣—綏德為界，北部平均傷害程度為61.35%，南部平均傷害程度為48.09%，北部的應(yīng)力敏感傷害程度大于南部(圖4)。

3 儲層應(yīng)力敏感傷害程度影響因素分析

3.1 骨架顆粒與應(yīng)力敏感性的關(guān)系

石英含量與應(yīng)力敏感傷害程度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5471(圖5a)；巖屑含量與應(yīng)力敏感傷害程度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.507(圖5b)。巖石受擠壓發(fā)生形變時，巖石組分中的骨架顆粒承受了絕大部分應(yīng)力。因此，石英作為主要的骨架顆粒，其含量越高，儲層抗壓作用越強(qiáng)，應(yīng)力敏感性越弱。

由試驗(yàn)結(jié)果得出研究區(qū)應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱為：山西組>太原組>本溪組。巖礦分析得出石英含量本溪組最高，太原組次之，山西組最低；巖屑含量山西組最高，太原組次之，本溪組最低(圖1)，與應(yīng)力敏感性試驗(yàn)結(jié)果相一致，即研究區(qū)山西組高巖屑含量使得應(yīng)力敏感性增強(qiáng)(圖5b)。

圖4 山西組應(yīng)力敏感傷害程度平面分布Fig. 4 The distribution of stress sensitivity damage in Shanxi formation

3.2 孔喉半徑與應(yīng)力敏感性的關(guān)系

通過壓汞試驗(yàn)得出平均孔喉半徑與應(yīng)力敏感傷害程度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5912(圖5c)。由此可以得出，當(dāng)平均孔喉半徑越小時，應(yīng)力敏感性對儲層的損害越明顯，研究區(qū)屬特低孔特低滲儲層，開采過程中應(yīng)力敏感性對儲層的損害不能忽視。

圖5 儲層應(yīng)力敏感性主控因素分析Fig. 5 The main control factors of reservoir stress sensitivity

3.3 填隙物含量與應(yīng)力敏感性的關(guān)系

填隙物在低滲透儲層中分布較廣，通過大量鑄體薄片鑒定資料統(tǒng)計采樣井的填隙物含量，結(jié)合應(yīng)力敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：填隙物含量與滲透率呈指數(shù)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.8238(圖5d)。研究區(qū)填隙物含量的關(guān)系為：太原組>山西組>本溪組(圖2)，應(yīng)力敏感性傷害程度的關(guān)系為：山西組>太原組>本溪組，忽略骨架顆粒的影響，填隙物含量越高，儲層應(yīng)力敏感性傷害越大。

通過對研究區(qū)山西組填隙物含量的統(tǒng)計，繪制出填隙物含量平面分布圖(圖6)。填隙物含量平面分布呈南北分異，北部填隙物含量高于南部，因此北部應(yīng)力敏感傷害程度高于南部，結(jié)合山西組應(yīng)力敏感傷害程度平面分布圖(圖4)可以得出：填隙物含量與應(yīng)力敏感傷害程度呈正相關(guān)。

圖6 山西組填隙物含量平面分布Fig.6 The distribution of filler content in Shanxi formation

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)儲層巖石學(xué)類型均以石英砂巖、巖屑石英砂巖以及巖屑砂巖為主，孔隙度平均值為5.44%，滲透率平均值為0.47 mD，儲層類型為特低孔特低滲—致密型。

(2)通過應(yīng)力敏感性評價試驗(yàn)，采用滲透率損害率Dk來評價研究區(qū)儲層的應(yīng)力敏感性，得出研究區(qū)儲層具有中等偏強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，主力層山西組應(yīng)力敏感性分布以橫山—佳縣—綏德為界，北部的應(yīng)力敏感傷害程度大于南部，越往南應(yīng)力敏感傷害程度越弱。

(3)研究得出應(yīng)力敏感性主要受骨架顆粒分布、孔喉半徑和填隙物含量這3種因素控制。其中應(yīng)力敏感傷害程度與石英顆粒含量和平均孔喉半徑呈負(fù)相關(guān)，與填隙物含量和巖屑含量呈正相關(guān)。在儲層開發(fā)過程中，建議針對不同儲層制定合理的生產(chǎn)壓差以減小儲層的應(yīng)力敏感性和維持儲層滲流條件的穩(wěn)定，使得該區(qū)儲層高效開發(fā)。

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