吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲集層滲吸規(guī)律

馬明偉，祝健，李嘉成，廖凱，王俊超，王飛

（1.中國石油 新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū) 石油學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組（P2l）為頁巖、薄層砂質(zhì)白云巖和白云質(zhì)粉砂巖，發(fā)育大面積連續(xù)分布的源儲一體油藏。根據(jù)儲集層物性和含油性，主要發(fā)育上、下2 個(gè)甜點(diǎn)，上甜點(diǎn)主要分布在和小層，巖性主要為砂屑白云巖、巖屑長石細(xì)砂巖和白云屑砂巖；下甜點(diǎn)主要分布在小層，巖性主要為白云質(zhì)粉砂巖。蘆草溝組整體具有中—低孔隙度、低—特低滲透率的特征，是典型的頁巖儲集層[1-8]。微納米級孔隙在頁巖儲集層中廣泛分布，因此，毛細(xì)管力在自發(fā)滲吸過程中的作用較為顯著，對儲集層流體分布及油氣生產(chǎn)具有較大的影響[9-11]，大量研究也表明滲吸置換是頁巖油可采出的重要作用之一[12-17]。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油成藏條件復(fù)雜，儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)，油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力差，前期開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益差[18-19]。近年來，采用水平井密切割、高強(qiáng)度體積壓裂等改造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油的有效開發(fā)。壓裂后，大量壓裂液注入地層，形成具有高導(dǎo)流能力的復(fù)雜裂縫。壓后燜井期間，水力裂縫內(nèi)依舊維持較高的流體壓力，且裂縫內(nèi)壓裂液與基質(zhì)長期接觸，發(fā)生滲吸置換[20]。對吉木薩爾凹陷原油分布、甜點(diǎn)預(yù)測和孔隙結(jié)構(gòu)均有研究，但針對蘆草溝組儲集層燜井期間滲吸置換規(guī)律的研究相對不足。通常采用靜態(tài)滲吸測量法來評價(jià)巖心整體的滲吸置換效果，但該方法無法體現(xiàn)不同尺度孔隙內(nèi)部的原油分布及采出情況。因此，為了研究吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同甜點(diǎn)儲集層燜井期間的滲吸置換規(guī)律，采用核磁共振技術(shù)，選取不同甜點(diǎn)儲集層的巖心樣品，對其潤濕性特征進(jìn)行分析，通過自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)研究儲集層巖心的滲吸置換特征，探討吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點(diǎn)和下甜點(diǎn)燜井期間的滲吸置換規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用巖心和原油均取自吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖儲集層。為研究不同甜點(diǎn)儲集層燜井期間的滲吸置換規(guī)律，分別在J10024井上甜點(diǎn)和下甜點(diǎn)儲集層各取3塊巖心，其中，上甜點(diǎn)巖心樣品編號為1號、2 號和3 號，飽和JHW051 井對應(yīng)上甜點(diǎn)原油；下甜點(diǎn)巖心樣品編號為4號、5號和6號，飽和J10054_H井對應(yīng)下甜點(diǎn)原油，進(jìn)行自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)，巖心參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)配置壓裂液為采用重水（D2O）配置的現(xiàn)場低黏滑溜水配方。實(shí)驗(yàn)配置地層水為NaHCO3型，總礦化度為14 053 mg/L。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層巖心樣品基本參數(shù)Table 1.Basic parameters of core samples from the Lucaogou formation in Jimsar sag

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 接觸角測定

采用接觸角測定儀（DSA52S，德國KRüSS）測量原油-水-巖心三相體系的接觸角[21]，實(shí)驗(yàn)步驟為：①將待測接觸角的巖心清洗干凈并烘干，依次使用粒徑為30 μm、15 μm 和5 μm 的砂盤，將巖心表面磨平拋光；②巖心拋光后放入盛有原油的燒杯中，放入45 ℃恒溫箱中老化300 h；③老化后的巖心放置在透明石英盒頂部，石英盒內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)配置水，將針管的U 型針頭放置在巖心下方1～2 cm；④調(diào)整針頭位置，設(shè)置每次滴出液體體積為1 μL，待油滴在巖石表面鋪展穩(wěn)定后截取圖片，計(jì)算原油-水-巖心三相體系的接觸角。

1.2.2 自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)

采用SPEC 核磁共振儀，測量自發(fā)滲吸過程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)巖心的核磁共振T2譜。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將柱塞巖心洗凈并烘干，測量孔隙度和滲透率，巖心放入真空皿抽真空，隨后加入地層水繼續(xù)抽真空，最后加壓飽和地層水；②巖心加壓驅(qū)替飽和原油，將其浸泡在相對應(yīng)甜點(diǎn)的原油中，放入45 ℃恒溫箱中老化300 h；③壓裂液攪拌均勻后放入80 ℃恒溫箱中，待2 h破膠后，即可得到自發(fā)滲吸液；④將老化處理后的巖心放入滲吸瓶中，加入破膠后的壓裂液，將滲吸瓶保存在80 ℃恒溫箱中進(jìn)行常壓自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)；⑤每隔2 h 將巖心從滲吸瓶中取出，高溫下擦凈巖心表面原油，用聚四氟乙烯薄膜包裹（薄膜減少巖心流體蒸發(fā)）巖心冷卻至25 ℃后，將巖心放進(jìn)核磁共振儀掃描，測量不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下巖心的核磁共振T2譜；⑥掃描結(jié)束后，拆掉薄膜，將巖心立即放回滲吸瓶內(nèi)，并放置在恒溫箱中，繼續(xù)常壓自發(fā)滲吸，直至核磁共振T2譜不再發(fā)生變化時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)巖心核磁共振T2譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)巖心內(nèi)原油的相對含量，計(jì)算巖心自發(fā)滲吸過程中的滲吸效率及滲吸速率。由于滲吸過程為吸水排油，吸入的壓裂液及排出的原油存在核磁共振信號量的差異，所以巖心的核磁共振信號量逐漸降低，滲吸效率的計(jì)算公式為：

式中η——滲吸效率；

為了反映滲吸效率隨時(shí)間的變化，定義滲吸速率表達(dá)式為[22-24]：

式中 Δt——時(shí)間變化量，h；

v——滲吸速率，h-1；

η1、η2——分別為t1和t2時(shí)刻滲吸效率；

Δη——滲吸效率變化量。

2 潤濕性

微納米級孔隙在頁巖儲集層普遍分布，因此，毛細(xì)管力在壓后燜井期間滲吸過程中的作用尤其顯著。自發(fā)滲吸的主要動力來源于毛細(xì)管力，在孔隙結(jié)構(gòu)和液體體系不變的情況下，儲集層潤濕性決定毛細(xì)管力的大小。儲集層親水有利于壓裂液的滲吸置換，儲集層親油不利于壓裂液的滲吸置換[25]。但表面活性劑可以提高儲集層的親水性，將地層由油濕反轉(zhuǎn)為水濕[26]。本文采用原油恒溫浸泡及老化的方式，測量油-水-巖心三相接觸角，還原地層條件下儲集層的三相接觸角。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示：上甜點(diǎn)1 號、2 號和3 號巖心樣品油-水-巖心接觸角分別為40.2°、75.1°和63.1°，均小于90.0°，表明巖心表面親水；下甜點(diǎn)4 號、5 號和6 號巖心樣品油-水-巖心接觸角為132.2°、101.9°和118.2°，均大于90.0°，原油在巖心表面鋪展開，表明巖心表面親油。測得4 號、5 號和6 號巖心樣品油-改性壓裂液-巖心接觸角分別為86.4°、55.6°和56.2°，改性壓裂液可使下甜點(diǎn)巖心潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，增強(qiáng)下甜點(diǎn)的親水性。上甜點(diǎn)儲集層弱親水—親水，有利于燜井期間的滲吸置換；下甜點(diǎn)儲集層巖心弱親油—親油，對燜井期間的滲吸置換較為不利，若想在下甜點(diǎn)儲集層燜井期間的滲吸置換發(fā)揮作用，需要增強(qiáng)下甜點(diǎn)儲集層的親水性。

圖1 自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)過程巖心接觸角Fig.1.Core contact angle during spontaneous imbibition experiment

3 自發(fā)滲吸特征

在多孔介質(zhì)中，孔隙半徑越大，存在于孔隙中的流體所需的橫向弛豫時(shí)間越長；孔隙半徑越小，存在于孔隙中的流體所需的橫向弛豫時(shí)間越短。本文使用的重水（D2O）中的氘（D）可以屏蔽壓裂液中的氫信號，故每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量的核磁共振T2譜可以反映巖心內(nèi)原油的相對含量。

巖石孔隙流體橫向弛豫時(shí)間與孔隙半徑及形狀有關(guān)，前人普遍認(rèn)為橫向弛豫時(shí)間與孔隙半徑成正比[27]，因而可將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換成孔喉半徑分布。橫向弛豫時(shí)間測量結(jié)果（圖2）表明，飽和水后核磁共振T2譜譜峰左側(cè)占總面積的59%，飽和原油后核磁共振T2譜譜峰左側(cè)占總面積的62%，且飽和原油與飽和水核磁共振T2譜縱坐標(biāo)無因次振幅分布基本相同，巖心內(nèi)原油核磁共振T2譜可以反映原油在不同孔隙的相對含量?；谇捌诂F(xiàn)場壓汞測試的孔隙半徑分布（圖3），與巖心內(nèi)原油橫向弛豫時(shí)間作等效關(guān)聯(lián)，橫向弛豫時(shí)間為0.02～100.00 ms，因此測試巖心對應(yīng)的孔喉半徑為0.02～100.00 μm。

圖2 巖心飽和水和飽和原油的核磁共振T2譜Fig.2.NMR T2spectrum of the cores saturated with water and crude oil

圖3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組孔隙分布Fig.3.Pore distribution in the shale reservoir of the Lucaogou formation in Jimsar sag

現(xiàn)場配置的壓裂液中包含防乳化劑、防膨劑、破膠劑及助排劑，此類添加劑具有親水和親油基團(tuán)，可使巖石潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，增強(qiáng)儲集層的親水性[28]。

由于測試巖心的核磁共振T2譜均為單峰，故本文以T2譜譜峰為中心線，T2譜譜峰左右分別對應(yīng)巖心內(nèi)小孔隙和大孔隙，分析自發(fā)滲吸過程中不同孔隙的滲吸置換規(guī)律。結(jié)果表明：上甜點(diǎn)巖心T2譜譜峰左側(cè)信號降低程度較大（圖4a—圖4c），其對應(yīng)小孔隙滲吸效率在35%左右，T2譜譜峰右側(cè)對應(yīng)大孔隙滲吸效率在20%左右（圖5a）。隨滲吸時(shí)間的增加，T2譜譜峰向右移動，這是由滲吸過程中小孔隙原油采出速度大于大孔隙原油采出速度所致（圖5b），且小孔隙滲吸置換原油占總滲吸置換量60%左右。結(jié)合上甜點(diǎn)巖心弱親水—親水特征，毛細(xì)管力作為滲吸的主要動力；下甜點(diǎn)巖心核磁共振T2譜譜峰右側(cè)信號降低程度較大（圖4d—圖4f），其對應(yīng)大孔隙滲吸效率在30%左右，T2譜譜峰左側(cè)對應(yīng)小孔隙滲吸效率在10%左右（圖5c）。隨滲吸時(shí)間的增加，T2譜譜峰向左移動，這是由滲吸過程中大孔隙原油采出速度大于小孔隙原油采出速度所致（圖5d），且大孔隙滲吸置換原油占總滲吸置換量80%左右。親油巖心幾乎無滲吸置換潛力，但通過潤濕性反轉(zhuǎn)后，可進(jìn)行滲吸置換[26]。

圖4 吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點(diǎn)和下甜點(diǎn)巖心樣品不同滲吸時(shí)間下的核磁共振T2譜Fig.4.NMR T2spectra of cores from the upper and lower sweet spot intervals of the Lucaogou formation in Jimsar sag at different imbibition time

圖5 吉木薩爾凹陷蘆草溝組1號和4號巖心樣品不同孔隙滲吸效率及滲吸速率Fig.5.Imbibition efficiencies and imbibition rates of No.1 and No.4 core samples from the Lucaogou formation in Jimsar sag

圖6 為巖心滲吸效率和滲吸速率隨時(shí)間變化。上甜點(diǎn)1 號、2 號和3 號巖心最終的滲吸效率分別為36%、28%和30%（圖6a），可動油孔隙半徑下限為0.04 μm。親水孔隙毛細(xì)管力主導(dǎo)的滲吸作用可將巖心中的原油置換出來，滲吸初期（前10 h）滲吸速率可達(dá)0.0200～0.0500 h-1，為快速滲吸階段；滲吸后期滲吸速率降至0.0100 h-1以下，為低速滲吸階段。整個(gè)滲吸過程滲吸速率快速下降，滲吸160 h 左右達(dá)到滲吸平衡（滲吸速率為0.000 1 h-1）（圖6b）。下甜點(diǎn)4號、5 號和6 號巖心最終的滲吸效率分別為22%、24%和23%（圖6c），可動油孔隙下限尺寸為0.15 μm。具有改性的壓裂液使儲集層發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)及微觀親水孔隙主導(dǎo)滲吸作用，滲吸效率為15%～23%。滲吸初期（前10 h），滲吸速率在0.0100 h-1以下，滲吸后期滲吸速率一直保持較低水平，整個(gè)滲吸過程滲吸速率均較低，相較于上甜點(diǎn)滲吸速率較低，滲吸作用開始400 h左右達(dá)到滲吸平衡（圖6d）。較高的滲吸效率表明，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖具有一定的滲吸潛力。

圖6 吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點(diǎn)和下甜點(diǎn)巖心樣品滲吸效率及滲吸速率Fig.6.Imbibition efficiencies and imbibition rates of core samples from the upper and lower sweet spot intervals of the Lucaogou formation in Jimsar sag

吉木薩爾凹陷蘆草溝組中—低孔、低—特低滲透率頁巖具有一定的滲吸置換潛力。針對上甜點(diǎn)儲集層可適當(dāng)延長燜井時(shí)間以達(dá)到最優(yōu)燜井滲吸效果；針對下甜點(diǎn)儲集層可優(yōu)選表面活性劑，使油濕儲集層發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高儲集層的滲吸能力。最大限度地發(fā)揮燜井期間的滲吸置換作用，提高頁巖油藏的采收率。

4 結(jié)論

（1）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點(diǎn)儲集層原油-水-巖石三相接觸角均小于90.0°，呈現(xiàn)弱水濕—水濕的潤濕性特征；下甜點(diǎn)儲集層原油-水-巖石三相接觸角均大于90.0°，呈現(xiàn)弱油濕—油濕的潤濕性特征，儲集層潤濕性是影響滲吸的關(guān)鍵因素。

（2）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上甜點(diǎn)儲集層對應(yīng)小孔隙中滲吸效率在35%左右，且小孔隙滲吸置換原油占總滲吸置換原油的60%，占主導(dǎo)地位；下甜點(diǎn)儲集層對應(yīng)大孔隙中滲吸效率在30%左右，且大孔隙滲吸置換原油占總滲吸置換原油80%，占主導(dǎo)地位。

（3）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上、下甜點(diǎn)儲集層燜井期間均有一定滲吸置換的潛力，上甜點(diǎn)儲集層自發(fā)滲吸效率在31%左右，滲吸初期為快速滲吸階段，后期為低速滲吸階段；下甜點(diǎn)儲集層自發(fā)滲吸效率在22%左右，整個(gè)滲吸過程滲吸速率均較低。