致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度影響因素
——以鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)為例

吳 蒙,秦 勇，申 建，宋黨育，王曉青，張谷春，李國璋，朱士飛

1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221006 2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008 3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000

0 引言

鑒于致密砂巖物性差、喉道細(xì)、非均質(zhì)性強(qiáng)，對(duì)其儲(chǔ)層描述和精細(xì)評(píng)價(jià)成為一個(gè)關(guān)鍵問題。近年來，有研究者[1-5]認(rèn)為束縛水飽和度可以較好地進(jìn)行致密砂巖儲(chǔ)層油氣評(píng)價(jià)、儲(chǔ)量計(jì)算和產(chǎn)能預(yù)測。束縛水通常賦存于儲(chǔ)層表面、孔縫角隅和微毛細(xì)管中，受毛細(xì)管力和黏滯力共同作用[6]。致密砂巖中的束縛水以微毛細(xì)管束縛水和薄膜束縛水的形式存在，其中，毛細(xì)管束縛水受毛細(xì)管力控制，薄膜束縛水受表面分子力作用而滯留在孔隙壁[7]。核磁共振橫向弛豫時(shí)間(T2)可以表征束縛流體和可動(dòng)流體[8]，其中：低T2值，代表微孔中的黏土束縛水；中T2值，代表小孔隙中的薄膜水和毛細(xì)管束縛水；高T2值，代表大孔隙中的可動(dòng)水[9]。

前人關(guān)于束縛水開展了研究，如:陳科貴等[1]、李海波等[9]對(duì)砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)顆粒半徑、孔隙和喉道越小，物性越差，巖石與水的接觸面積越大，束縛水飽和度越高；鄭小敏等[10]、李蓮明等[11]發(fā)現(xiàn)隨著地層壓力的增大，巖石束縛水飽和度升高；方建龍等[12]、姚涇利等[13]認(rèn)為高溫加劇分子運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)氣體溶解，引起氣-水之間的界面張力降低，減少水在孔隙中的捕集和巖石表面的附著，測得的束縛水飽和度較常溫條件下偏低。前人也曾對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度計(jì)算方法做過研究[13-14]，但關(guān)于致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度的影響因素鮮見研究報(bào)道[15]。因此，本文以鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區(qū)致密砂巖為研究對(duì)象，運(yùn)用X射線衍射、核磁共振、高壓壓汞及氣-水相滲等實(shí)驗(yàn)手段，分析粒度、黏土礦物、物性、孔隙特征、潤濕性和敏感性對(duì)致密儲(chǔ)層束縛水飽和度的影響，以期為致密砂巖油氣勘探和開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 物性特征

臨興地區(qū)上古生界砂巖孔隙度為0.08%～27.49%，平均值為4.94%，滲透率為0.00～65.11×10-3μm，平均值0.01×10-3μm[16-18]，煤層和暗色泥巖發(fā)育，以Ⅲ型、Ⅱ2型干酪根為主，生氣強(qiáng)度為(18～26)×108m3/km2，表明研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層天然氣資源豐富[17-19]。選擇臨興地區(qū)24塊砂巖樣品分別進(jìn)行核磁共振和壓汞測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，滲透率為0.05×10-3～11.66×10-3μm，平均值為1.88×10-3μm，孔隙度為1.43%～15.22%，平均值為7.99%，核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2譜截止值(T2cutoff)為3.86～65.60 ms，平均值為20.96 ms，束縛水飽和度為34.77%～83.78%，平均值為63.86%。

表1 臨興地區(qū)致密砂巖核磁共振和壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 致密砂巖束縛水影響因素

2.1 粒度與孔隙半徑

按照碎屑粒徑大小可將砂巖分為粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖。礦物組成和粒度從某種程度上決定了巖石的各項(xiàng)性質(zhì)，巖石性質(zhì)是礦物穩(wěn)定性、風(fēng)化強(qiáng)度、搬運(yùn)距離的綜合反映。以鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區(qū)24塊致密砂巖樣品為研究對(duì)象，采用核磁共振實(shí)驗(yàn)獲取其束縛水飽和度，利用Leica DMRX型顯微定量圖像分析儀、AutoPore Ⅳ 9505孔隙分析儀對(duì)巖石薄片進(jìn)行粒度和平均孔隙半徑分析。致密砂巖粒徑對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在砂巖粒徑從大到小的變化過程中，束縛水飽和度逐漸增大(圖1a)。這是因?yàn)椋S著粒徑變小，巖石的比表面積增大，與水的接觸面積增大，薄膜束縛水升高；同時(shí)，粒徑變小往往導(dǎo)致平均孔隙半徑減小，致使滯留在微小毛細(xì)管道中或孔隙-喉道彎曲處的毛細(xì)管束縛水增多(圖1b)。致密砂巖粒度和孔隙半徑主要受沉積環(huán)境和成巖作用的影響[20]。前人研究表明：沉積水動(dòng)力越弱，粒度越細(xì)，孔隙半徑越小，束縛水飽和度越大[21]；壓實(shí)作用引起儲(chǔ)層顆粒排列緊密，孔隙半徑減小，束縛流體增多[22]；膠結(jié)作用使膠結(jié)物充填孔喉空間，孔喉連通性降低，孔隙毛細(xì)管力增強(qiáng)，束縛水飽和度增大[23]。因此砂巖粒度和孔隙半徑直接影響著致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度。

圖1 致密砂巖束縛水飽和度和平均粒徑(a)、平均孔隙半徑(b)的關(guān)系

2.2 黏土礦物

利用X射線衍射和核磁共振實(shí)驗(yàn)分析黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與儲(chǔ)層束縛水飽和度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)束縛水飽和度與總黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系(圖2a)。隨著黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，一方面儲(chǔ)層比表面積增大，孔隙和喉道表面薄膜束縛水增多；另一方面，孔隙流體受毛細(xì)管力的束縛作用，毛細(xì)管束縛水增多[24]。同時(shí)，黏土礦物表面一般帶負(fù)電荷，可以直接吸附電性不平衡的極性水分子，也可以結(jié)合形成水合離子以間接吸引水分子[1]，束縛水飽和度升高。不同黏土礦物的比表面積、表面能以及潤濕性存在差異，表面能越大，孔隙表面吸附的流體越多。

對(duì)黏土礦物與束縛水飽和度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)束縛水飽和度與高嶺石、伊利石、蒙脫石和伊蒙混層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均具有一定的正相關(guān)關(guān)系，其中，與伊蒙混層、伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性高于與高嶺石、綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性(圖2b)，表明束縛水飽和度主要受伊利石和伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。這是因?yàn)橛H水性的伊利石和伊蒙混層表面可以形成一層水膜，并且水膜厚度隨著親水性增強(qiáng)而增大[25]。同時(shí)，黏土礦物在致密砂巖中主要起填隙作用，填充的孔隙、喉道造成孔隙空間減小，連通性破壞，儲(chǔ)層束縛水飽和度隨之變化[26]。例如，黏土礦物遇水膨脹、外來液體與儲(chǔ)層流體反應(yīng)生成沉淀等，都會(huì)大大減小孔喉體積，甚至堵塞喉道，導(dǎo)致儲(chǔ)層束縛水飽和度升高[23]。臨興地區(qū)致密砂巖中，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種類的差異引起儲(chǔ)層表面的水膜厚度和孔隙連通性改變，導(dǎo)致致密儲(chǔ)層束縛水飽和度改變，加之研究區(qū)伊蒙混層和伊利石發(fā)育，因此致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度受黏土礦物影響較大。

a.總黏土礦物；b.黏土礦物。

2.3 孔隙特征

盡管致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度受控于粒徑和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但通過研究發(fā)現(xiàn)，在巖石平均粒徑大小和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)時(shí)，束縛水飽和度往往也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此還需考慮沉積、成巖作用下的孔隙特征。一般情況下，水動(dòng)力越弱，粒度越細(xì)，機(jī)械壓實(shí)和膠結(jié)作用越強(qiáng)，孔喉連通性和微觀孔隙結(jié)構(gòu)越差，束縛水飽和度越高[21]。溶蝕作用不僅可以形成次生孔隙，還能溝通原本不連通的孔隙，使儲(chǔ)層束縛流體減少[27-28]。觀察研究區(qū)致密砂巖鑄體薄片發(fā)現(xiàn)，石英顆粒附近發(fā)育殘余粒間孔和粒內(nèi)溶蝕孔(圖3a)，高嶺石交代礦物碎屑發(fā)育粒間溶蝕孔和晶間微孔(圖3b)以及微裂縫(圖3c)。利用掃描電鏡和X-射線能譜，可以觀察到：粒間孔隙中有次生石英晶體充填，并發(fā)育殘余粒間孔(圖3d)；片狀高嶺石集合體和片絲狀伊利石充填于粒間孔隙中，并發(fā)育粒間溶蝕孔(圖3e)；石英顆粒溶蝕形成的粒內(nèi)溶蝕孔(3f)；書頁狀高嶺石集合體充填形成的晶間孔(3g)；毛發(fā)狀伊利石集合體充填碎屑顆粒形成的晶間孔(3h)和微裂縫(3i)。研究區(qū)砂巖發(fā)育片絲狀、毛發(fā)狀伊利石與片狀、書頁狀高嶺石集合體，常充填于原生孔隙或形成的次生孔隙中，造成其比表面增大，孔隙表面吸附的薄膜束縛水和喉道中堆積的毛細(xì)管束縛水增多。表明孔隙類型影響著致密儲(chǔ)層束縛流體含量。

a.殘余粒間孔與粒內(nèi)溶蝕孔，1 550.83 m，鑄體薄片；b.粒間溶蝕孔和晶間微孔，1 552.78 m，鑄體薄片；c.微裂縫，1 363.84 m，鑄體薄片；d.殘余粒間孔，1 214.09 m，掃描電鏡；e.粒間溶蝕孔，1 550.83 m，掃描電鏡；f.粒內(nèi)溶蝕孔，1 794.98 m，掃描電鏡；g.高嶺石晶間孔，1 760.44 m，掃描電鏡；h.伊利石晶間孔，1 593.76 m，掃描電鏡；i.微裂縫，1 636.91 m，掃描電鏡。

2.4 物性

經(jīng)過對(duì)研究區(qū)致密砂巖孔隙度、滲透率測試發(fā)現(xiàn)，束縛水飽和度與滲透率、孔隙度的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.60，0.17(圖4)，可見致密砂巖束縛水飽和度與滲透率相關(guān)性較好，與孔隙度相關(guān)性較弱。這與“致密砂巖孔喉連接處容易被礦物顆粒阻塞，導(dǎo)致孔隙度較大的儲(chǔ)層形成死孔隙，束縛水飽和度增大[29-30]”的觀點(diǎn)一致。再者，孔喉分布和連通性差異是決定巖石滲透率的重要因素[31-32]，進(jìn)一步表明致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度受滲透率影響較大，受孔隙度影響較小。

圖4 致密砂巖束縛水飽和度和滲透率(a)、孔隙度(b)的關(guān)系

2.5 潤濕性

采用核磁共振技術(shù)、X-射線衍射實(shí)驗(yàn)和氣-水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)分析7塊致密砂巖巖樣束縛水飽和度、黏土礦物及潤濕特征。xl-1-2、xl-2-1、xl-2-2和xl-5-2樣品的總黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，相應(yīng)的束縛水飽和度也較高(表2)。可能因?yàn)橐晾|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高造成喉道迂曲度增強(qiáng)，或者水?dāng)y帶的黏土礦物顆粒堵塞細(xì)小的孔隙，引起孔喉連通性變差，束縛水飽和度升高[25]。xl-1-1、xl-1-3、xl-5-1樣品黏土礦物不發(fā)育，或者綠泥石、高嶺石這些非親水黏土礦物發(fā)育，使得儲(chǔ)層束縛水飽和度降低。

表2 研究區(qū)樣品黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及潤濕指數(shù)

根據(jù)氣-水相對(duì)滲透率交點(diǎn)處的含水飽和度(Swx)、最大含水飽和度下的水相相對(duì)滲透率(Krwm)以及束縛水飽和度(Swi)3個(gè)參數(shù)利用公式(1)推導(dǎo)潤濕指數(shù)(Wi)，以此來判斷巖石潤濕性的相對(duì)大小，潤濕指數(shù)越大，親水性越強(qiáng)[25,33]。

(1)

圖5為含水飽和度與氣-水相對(duì)滲透率變化圖，由圖5可知，xl-1-3、xl-5-1樣品的氣相滲透率與其他樣品相比較小，水相滲透率較大，氣-水相對(duì)滲透率曲線的交點(diǎn)左移，所以潤濕指數(shù)減小，束縛水飽和度降低。同時(shí)，亦表明xl-5-2樣品親水性最強(qiáng)(表2，圖5)。致密砂巖親水性越強(qiáng)，其孔隙表面水膜厚度越大[34]，所以xl-1-3、xl-5-1樣品的水膜厚度小于其他樣品。致密砂巖可動(dòng)流體的孔喉半徑下限為0.05～0.13 μm[29,35]，水膜厚度在0.05～1.00 μm之間[36]，巖石的親水性和水膜厚度直接影響著可動(dòng)流體的孔喉半徑?？蓜?dòng)流體的孔喉半徑越小，孔隙賈敏效應(yīng)越強(qiáng)，甚至完全阻塞喉道，束縛流體飽和度越大[25,34]。同時(shí)，致密儲(chǔ)層表面越親水，砂巖表面顆粒對(duì)流體的吸附能力越強(qiáng)，微-細(xì)孔內(nèi)的可動(dòng)流體越需要更大的驅(qū)動(dòng)壓力克服毛細(xì)管力[25, 32]。以上表明致密砂巖潤濕性對(duì)儲(chǔ)層束縛水飽和度影響較大。

Krg.氣相相對(duì)滲透率; Krw.水相相對(duì)滲透率; Sw.含水飽和度。

潤濕指數(shù)與伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)較好的“拋物線”關(guān)系(圖6)。隨著各黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，儲(chǔ)層潤濕指數(shù)先減小后增大；這可以較好地解釋xl-1-1樣品黏土礦物與束縛水飽和度的關(guān)系，同時(shí)，表明了致密儲(chǔ)層束縛水飽和度受多種黏土礦物共同控制。

圖6 臨興地區(qū)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與潤濕指數(shù)的關(guān)系

2.6 敏感性

臨興地區(qū)60塊砂巖樣品利用WTK-1巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，分5組分別進(jìn)行堿敏、水敏、速敏、酸敏和鹽敏實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5358—2002)[37]，可知致密砂巖鹽敏滲透率損害率為37.50%～89.10%，平均值為56.91%，中等偏強(qiáng)損害；堿敏損害率為13.90%～73.80%，平均值為40.41%，中等偏弱損害；水敏損害率為37.10%～89.10%，平均值為56.64%，中等偏強(qiáng)損害；速敏損害率為15.38%～50.56%，平均值為30.93%，弱損害；酸敏損害率為5.20%～60.10%，平均值為37.55%，中等偏弱損害。

基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：注入流體的礦化度升高(圖7a)，pH值(>6.8)增大(圖7b)，驅(qū)替速度(<0.5 mL/min)增大(圖7c)，水量及酸液(圖7d，e)增加，都會(huì)不同程度導(dǎo)致致密砂巖滲透率改變?？赡苡捎诤淼腊霃叫∮?.05 μm時(shí)，孔隙中的水以束縛水為主，砂巖儲(chǔ)層中水的流動(dòng)與巖石孔隙結(jié)構(gòu)、物性、氣體流動(dòng)、壓差等相關(guān)[38]。在一定程度下，黏土礦物的膨脹、分散[39]，松散礦物顆粒的運(yùn)移[40]，碳酸鹽礦物的溶解[41]，硅質(zhì)礦物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鹽沉淀[42]等均會(huì)傷害儲(chǔ)層，降低砂巖滲透率，引起束縛水飽和度升高。同時(shí)，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響儲(chǔ)層水敏強(qiáng)弱[43]，外來流體與砂巖中的硅酸鹽礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀或者凝膠阻塞孔喉，束縛水飽和度升高[32, 41-42]。因此，研究區(qū)致密砂巖的敏感性受黏土礦物、碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等敏感性礦物與外來流體所攜帶的固體微粒共同作用，也表明砂巖敏感性對(duì)致密儲(chǔ)層束縛水飽和度影響較大。

a.滲透率比率與礦化度; b.滲透率比率與pH; c.滲透率與驅(qū)替速度; d.滲透率與注入水量; e.注酸后滲透率比率變化。

3 結(jié)論

1)研究區(qū)致密砂巖束縛水飽和度為34.77%～83.78%，平均值為63.86%，T2譜截止值為3.86～65.60 ms，平均值為20.96 ms。

2)致密砂巖束縛水飽和度受黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑、物性、潤濕性和敏感性控制。粒徑越小，孔隙半徑越小，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，導(dǎo)致巖石比表面積越大，毛細(xì)管束縛水飽和度越高。巖石親水性越強(qiáng)，水膜厚度越大，薄膜束縛水飽和度越高。水敏和鹽敏是致密儲(chǔ)層滲透率改變的主要原因。

3)研究區(qū)發(fā)育殘余粒間孔、粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔、晶間孔隙、微裂縫等多種孔隙類型?？紫吨谐涮畹酿ね恋V物類型與形態(tài)存在差異，造成儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微觀非均質(zhì)性強(qiáng)，束縛水飽和度變化大。