松遼盆地古龍頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性

魏建光 付蘭清 趙國忠 李斌會 趙小青 王安倫

（1.陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；3.黑龍江省油層物理與滲流力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163712）

0 引 言

中國頁巖油資源量豐富，技術(shù)可采儲量約為55×108t，松遼盆地古龍頁巖油勘探已經(jīng)取得了重大突破［1-5］，預(yù)測石油地質(zhì)儲量約12×108t，是大慶油田重要的接替資源，加快頁巖油勘探開發(fā)是保障石油戰(zhàn)略安全的現(xiàn)實(shí)途徑。在古龍頁巖儲集空間特征、頁巖油開發(fā)規(guī)律、動(dòng)態(tài)模擬、效益評價(jià)研究上已取得一些探索成果［6-9］，但對于古龍頁巖油輸運(yùn)機(jī)理和受外來流體影響機(jī)制的基礎(chǔ)理論研究起步較晚，需要繼續(xù)深入研究。目前頁巖油儲層主要采用長水平井結(jié)合大規(guī)模多級壓裂技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，在壓裂過程中向儲層中注入大規(guī)模外來流體，外來流體對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的改變將直接影響開發(fā)效果，因此，需要針對不同類型外來流體對頁巖儲層孔隙造成的傷害或改善進(jìn)行定量評價(jià)。目前，儲層敏感性評價(jià)研究多以常規(guī)砂巖儲層為研究對象［10-15］，針對頁巖儲層的敏感性研究較少，且多集中于海相頁巖氣儲層［16］。與常規(guī)砂巖儲層不同，古龍頁巖油儲層富含微—納米孔隙和有機(jī)質(zhì)，且黏土礦物含量高。同時(shí)，古龍頁巖儲層在有機(jī)質(zhì)含量及石英、長石、碳酸鹽巖等礦物含量方面與海相頁巖儲層也有較大差異［17-20］。此外，已有的頁巖儲層敏感性評價(jià)多以巖心滲透率改變值為評價(jià)指標(biāo)，而古龍頁巖油儲層同時(shí)富含微—納米級孔隙及微米級天然裂縫，具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)，流體在微—納米級孔隙中發(fā)生滲吸，在裂縫中發(fā)生滲流，以巖心滲透率改變值為評價(jià)指標(biāo)僅能反映流體對裂縫空間的改變，但研究表明，流體在微—納米級孔隙中的滲吸作用也會顯著影響開發(fā)效果。針對古龍頁巖油儲層有必要開展不同尺寸孔隙空間對外來流體敏感性的研究。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文旨在利用核磁共振測試技術(shù)開展古龍頁巖巖心浸泡外來流體前后孔隙結(jié)構(gòu)變化的定量表征，基于孔隙結(jié)構(gòu)變化定量表征結(jié)果評價(jià)古龍頁巖巖心不同尺寸孔隙對外來流體的敏感性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究選取了3 塊古龍頁巖巖心，分別浸泡不同酸液、堿液以及中性滑溜水中。其中，酸液依次為w（HF） =3% 溶 液（S1）、w（HF） =3%+w（HCl） =12% 溶 液（S2）、w（HF） =5%+w（HCl）=12%溶液（S3）；堿液依次為礦化度與地層水相同的pH=9 的NaOH+KCl 溶液（S4）、pH=11 的NaOH+KCl 溶液（S5）、pH=13 的NaOH+KCl溶液（S6）；中性滑溜水依次為體積分?jǐn)?shù)為2.5 L/m3的EM30+溶液（S7）、體積分?jǐn)?shù)為3.0 L/m3的EM30+溶液（S8）。巖心基礎(chǔ)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)流體詳見表1。

表1 巖心基礎(chǔ)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)流體Table 1 Core parameters and experiment fluids

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

核磁共振測試是儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的有效手段之一，相較于高壓壓汞、CT 掃描等其他儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于測試過程對巖石無破壞性且可測定的孔隙尺寸范圍廣，能夠適應(yīng)頁巖油儲層多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此，本文采用核磁共振測試技術(shù)開展頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體敏感性研究。本文分別對飽和地層水巖心及飽和外來流體并浸泡后巖心開展二維核磁T1—T2譜測試，根據(jù)T1—T2譜劃分出有機(jī)質(zhì)、黏土結(jié)合水及巖心孔隙空間內(nèi)流體信號分布，提取出巖心孔隙空間內(nèi)流體信號T2譜，對于飽和流體的巖心，T2值與孔隙半徑呈線性關(guān)系，基于巖心平行樣的高壓壓汞測試結(jié)果可實(shí)現(xiàn)T2值與孔隙半徑轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以根據(jù)巖心孔隙空間內(nèi)流體信號T2譜確定巖心的孔隙結(jié)構(gòu)，通過對不同狀態(tài)下的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，確定巖心孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性。由于目前缺少針對頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感性的國家或行業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文以總孔隙度變化率、微孔孔隙度變化率、小孔孔隙度變化率、中孔孔隙度變化率及大孔孔隙度變化率為評價(jià)指標(biāo)，其中，微孔孔隙半徑r＜0.01 μm，小孔孔隙0.01 μm≤r＜0.1 μm，中孔孔隙0.1 μm≤r＜1.0 μm，大孔孔隙r≥1.0 μm，并參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》SYT5358—2010［21］確定外來流體對各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度。各孔隙的孔隙度變化率的計(jì)算公式為：

式中：I——總孔隙度變化率；Imic——微孔孔隙度變化率；Imc——小孔孔隙度變化率；Ime——中孔孔隙度變化率；Ima——大孔孔隙度變化率；φ——孔隙度；φmic——微孔孔隙度；φmc——小孔孔隙度；φme——中孔孔隙度；φma——大孔孔隙度；上角標(biāo)b、a 表示浸泡之后、之前。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

基于建立的頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性評價(jià)方法并參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》SYT5358—2010［21］形成了頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)步驟：（1）配置地層水和外來流體，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)；（2）烘干頁巖巖心；（3）將巖心放入巖心夾持器中（圍壓2 MPa）抽真空48 h；（4）利用手搖泵飽和地層水至地層壓力（圍壓隨著增加相同幅度），并對巖心進(jìn)行核磁測試；（5）再次烘干頁巖巖心并將巖心放入巖心夾持器中（圍壓2 MPa）抽真空48 h；（6）利用手搖泵飽和外來流體至地層壓力（圍壓增加相同幅度），設(shè)置恒溫箱溫度為地層溫度，將巖心夾持器放置恒溫箱48 h 后取出，并對巖心進(jìn)行核磁測試；（7）對巖心平行樣進(jìn)行高壓壓汞測試，基于高壓壓汞測試結(jié)果及巖心飽和地層水的核磁測試結(jié)果完成核磁弛豫時(shí)間—孔隙尺寸轉(zhuǎn)換，量化頁巖巖心飽和地層水、飽和外來流體后不同尺寸孔隙的孔隙度，根據(jù)建立的評價(jià)指標(biāo)，定量評價(jià)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件

本文基于建立的頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性評價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)步驟對古龍頁巖油儲層巖心開展了敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為110 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為30 MPa，地層水礦化度為7 570 mg/L，采用美國MR Cores-XX 低場高頻（23 MHz）核磁共振儀進(jìn)行巖心核磁測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對外來流體的敏感性評價(jià)

2.1.1 酸液

圖1 為10#巖心飽和地層水及依次浸泡不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液（S1、S2、S3）狀態(tài)下核磁共振測試得到的T1—T2二維譜，由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加巖心內(nèi)的微孔孔隙對應(yīng)的信號量增大。圖2 為基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的10#巖心在浸泡不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液后的孔隙分布對比結(jié)果。由圖2 可知，古龍頁巖總孔隙度隨著外來流體酸性增強(qiáng)而增大，10#巖心飽和地層水情況總孔隙度為3.46%，飽和強(qiáng)酸（S3）情況總孔隙度為4.41%，總孔隙度增加值為0.95 百分點(diǎn)。表2 為10#巖心在浸泡不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液后的孔隙分布量化表征結(jié)果。從表2中可知，古龍頁巖與外來酸性流體作用后導(dǎo)致微孔孔隙度增多，小孔略有減少。10#巖心飽和地層水微孔孔隙度為0.35%，飽和強(qiáng)酸（S3）微孔孔隙度為2.57%，微孔孔隙度增加值為2.22 百分點(diǎn)，小孔、中孔、大孔孔隙度變化值為-1.17 百分點(diǎn)、0.07 百分點(diǎn)、-0.16 百分點(diǎn)。表3 匯總了10#巖心的孔隙結(jié)構(gòu)對不同強(qiáng)度酸液敏感性的評價(jià)結(jié)果。由表3 可知，酸液對總孔隙度具有弱改善作用，酸液溶蝕頁巖對微孔強(qiáng)改善，同時(shí)在小孔產(chǎn)生沉淀造成弱傷害。綜上可知，酸液對古龍頁巖總孔隙度具有弱改善作用，且隨著外來流體酸性的增強(qiáng)造成頁巖總孔隙度增大；酸液對古龍頁巖微孔具有強(qiáng)改善作用，對小孔造成弱傷害。

表2 10#巖心浸泡酸液后巖心內(nèi)不同尺寸孔隙度Table 2 Porosity of different sizes of Core 10#after immersed in acid liquids

表3 10#巖心孔隙結(jié)構(gòu)對酸液敏感性評價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation on sensitivity of pore structure Core 10#to acid liquids

圖1 10#巖心飽和地層水及外來流體（S1、S2、S3）狀態(tài)的T1—T2譜Fig.1 T1-T2 spectra of Core 10#saturated with formation water and external fluids(S1、S2、S3)

圖2 10#巖心初始狀態(tài)及浸泡酸液后孔隙分布對比Fig.2 Comparison of pore radius distributions of Core 10#at initial conditions and after immersed in acid liquids

2.1.2 堿液

圖3 為橫6-4 補(bǔ)巖心飽和地層水及依次浸泡不同強(qiáng)度堿液（S4、S5、S6）狀態(tài)下核磁共振測試得到的T1—T2二維譜，由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，堿液浸泡后巖心內(nèi)的微孔孔隙對應(yīng)的信號量略有增大。圖4 為基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的橫6-4 補(bǔ)巖心在浸泡不同強(qiáng)度堿液后的孔隙分布對比結(jié)果。由圖4 可知，外來堿性流體對古龍頁巖總孔隙度的影響以傷害為主，傷害程度隨堿液強(qiáng)度的增加先升高后降低。橫6-4 補(bǔ)巖心飽和地層水條件下頁巖總孔隙度為4.03%，堿液傷害最大條件下總孔隙度為3.47%，總孔隙度減少值為0.56 百分點(diǎn)。表4 為橫6-4 補(bǔ)巖心在浸泡不同強(qiáng)度堿液后的孔隙分布量化表征結(jié)果。從表4 中可知，古龍頁巖與外來堿性流體作用后導(dǎo)致微孔孔隙度略有增多，小孔略有減少。橫6-4 補(bǔ)巖心飽和地層水條件下微孔孔隙度為0.76%，微孔孔隙度為1.08%時(shí)堿液傷害最大，微孔孔隙度增加值為0.32 百分點(diǎn)。橫6-4 補(bǔ)巖心小孔、中孔、大孔孔隙度變化值為-0.83、0、-0.05百分點(diǎn)。

圖3 橫6-4補(bǔ)巖心飽和地層水及外來流體（S4、S5、S6）狀態(tài)T1—T2譜Fig.3 T1-T2 spectra of Core Heng 6-4bu saturated with formation water and external fluids(S4,S5,S6)

圖4 橫6-4補(bǔ)巖心初始狀態(tài)及浸泡堿液后孔隙分布對比Fig.4 Comparison of pore radius distributions of Core Heng 6-4bu at initial conditions and after immersed in alkaline liquids

表5 匯總了橫6-4 補(bǔ)巖心的孔隙結(jié)構(gòu)對不同強(qiáng)度堿液敏感性的評價(jià)結(jié)果，由表5 可知，堿液溶蝕頁巖對微孔弱改善，同時(shí)對小孔造成弱傷害，堿液對總孔隙度具有弱傷害作用。綜上，堿液對古龍頁巖總孔隙度造成弱傷害，且隨堿液強(qiáng)度增加傷害程度先升高后降低；堿液對古龍頁巖微孔弱改善，對小孔造成弱傷害。

表5 橫6-4補(bǔ)巖心孔隙結(jié)構(gòu)對堿液敏感性評價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation on sensitivity of pore structure of Core Heng 6-4bu to alkaline liquids

2.1.3 中性滑溜水

圖5 為15#巖心飽和地層水及依次浸泡不同體積分?jǐn)?shù)滑溜水（S7、S8）狀態(tài)下核磁共振測試得到的T1—T2二維譜，由圖5 可知，浸泡滑溜水后核磁信號量基本不變。圖6 為基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的15#巖心在浸泡不同體積分?jǐn)?shù)滑溜水后的孔隙分布對比結(jié)果。由圖6 可知，滑溜水對古龍頁巖總孔隙度基本沒有影響，15#巖心飽和地層水情況總孔隙度為7.07%，飽和高濃度滑溜水（S8）情況總孔隙度為7.27%，總孔隙度變化值為0.2 百分點(diǎn)。表6為15#巖心在浸泡不同體積分?jǐn)?shù)滑溜水后的孔隙分布量化表征結(jié)果。從表6 中可知，古龍頁巖與滑溜水作用后納米級微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度變化不大。15#巖心飽和地層水后微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度分別為3.51%、3.28%、0.22%、0.06%，飽和滑溜水（S8）后微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度變化值分別為-0.19、0.46、-0.12、0.05 百分點(diǎn)。表7 為15#巖心的孔隙結(jié)構(gòu)對不同濃度滑溜水敏感性的評價(jià)結(jié)果，由表7 可知，滑溜水對微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度基本無影響，頁巖總孔隙度對滑溜水溶液不敏感。綜上所述，古龍頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對中性滑溜水不敏感，古龍頁巖與中性滑溜水作用后納米級微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度基本不變。

表6 15#巖心浸泡滑溜水后巖心內(nèi)不同尺寸孔隙度Table 6 Porosity of different sizes of Core 15#after immersed in slick water

表7 15#巖心孔隙結(jié)構(gòu)對滑溜水敏感性評價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation on sensitivity of pore structure of Core 15#to slick water

圖5 15#巖心飽和地層水及外來流體（S7、S8）狀態(tài)T1—T2譜Fig.5 T1-T2spectra of Core 15#saturated with formation water and external fluids(S7,S8)

圖6 15#巖心初始狀態(tài)及浸泡滑溜水后孔隙分布對比Fig.6 Comparison of pore radius distributions of Core 15#at initial conditions and after immersed in slick water

2.2 頁巖對外來流體的敏感性機(jī)理

為探究古龍頁巖對外來流體的敏感性機(jī)理，對6 塊巖心進(jìn)行了XRD 全巖定量檢測及黏土礦物相對量檢測，檢測結(jié)果見表8 和表9。由表8 和表9可以看出：古龍頁巖普遍含有石英、斜長石、黃鐵礦及黏土礦物，部分頁巖含有鉀長石、方解石、鐵白云礦、菱鐵礦；古龍頁巖中黏土礦物主要為伊利石、綠泥石及伊/蒙混層，部分頁巖含有綠/蒙混層，其中伊/蒙混層中蒙皂石所占比例不高于20%。由于有方解石、鐵白云礦、菱鐵礦、黃鐵礦、綠泥石的存在，鹽酸作用于古龍頁巖可以對這些礦物產(chǎn)生溶蝕作用，使孔隙空間增大，但在與黃鐵礦作用時(shí)會生成單質(zhì)硫沉淀。氫氟酸能夠溶解古龍頁巖中的黏土礦物、長石及石英，但同時(shí)可生成CaF2沉淀、MgF2沉淀、氟硅酸鹽沉淀以及水化硅凝膠。因此，古龍頁巖與酸液作用后會發(fā)生溶蝕也會生成沉淀，結(jié)合古龍頁巖對酸液的敏感性評價(jià)結(jié)果可知，總體上以溶蝕作用為主，且生成的沉淀多聚集在小、中、大孔。堿液主要與古龍頁巖中的黏土礦物、石英、長石等礦物發(fā)生溶解作用，同時(shí)生成膠體或沉淀致使儲層孔隙空間總體上減小。古龍頁巖中礦物與中性的滑溜水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且古龍頁巖黏土礦物中不含蒙皂石，以伊利石、綠泥石及伊/蒙混層為主，而在伊/蒙混層中蒙皂石的含量也很低，對頁巖的孔隙空間影響很小，因此，古龍頁巖對中性的滑溜水不敏感。

表8 XRD全巖定量檢測結(jié)果Table 8 Quantitative XRD analysis

表9 黏土礦物相對量檢驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test result of relative contents of clay minerals

3 結(jié) 論

（1）酸液對古龍頁巖總孔隙度具有弱改善作用，且隨著外來流體酸性增強(qiáng)而頁巖總孔隙度增大，巖心飽和地層水情況總孔隙度為3.46%，飽和強(qiáng)酸情況總孔隙度為4.41%，總孔隙度增加值為0.95 百分點(diǎn)；酸液對古龍頁巖微孔明顯改善，且隨著外來流體酸性的增強(qiáng)頁巖微孔孔隙度明顯增大，巖心飽和地層水情況微孔孔隙度0.35%，飽和強(qiáng)酸情況微孔孔隙度為2.57%，微孔孔隙度增加值為2.22 百分點(diǎn)。酸液對古龍頁巖微孔具有強(qiáng)改善作用，對小孔造成弱傷害。

（2）堿液對古龍頁巖總孔隙度造成弱傷害，且隨堿液強(qiáng)度增加傷害程度先升高后降低，巖心飽和地層水情況總孔隙度為4.03%，堿液傷害最大條件下總孔隙度為3.47%，總孔隙度減少值為0.56 百分點(diǎn)；堿液對古龍頁巖微孔略有改善，古龍頁巖接觸堿液后微孔孔隙度略有增大，巖心飽和地層水情況微孔孔隙度為0.76%，微孔孔隙度為1.08%時(shí)堿液傷害最大，微孔孔隙度增大0.32 百分比。堿液對古龍頁巖微孔弱改善，對小孔造成弱傷害。

（3）古龍頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對中性流體不敏感，古龍頁巖與中性滑溜水作用后微孔、小孔、中孔、大孔總孔隙度基本不變。