南梁長4+5低滲透油藏注水傷害機(jī)理

余琦昌，牛海洋，呂澤宇，吳貝貝，辛元丹，趙 濤

(1.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710200；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

低滲透油藏的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲層中的黏土礦物敏感性強(qiáng)，易造成速敏、鹽敏等傷害[1-4]，隨著開發(fā)時間的延長，儲層物性會不斷發(fā)生變化。前人對于物性變化的觀點(diǎn)不一：一種觀點(diǎn)認(rèn)為儲層在長期注水過程中，由于注入水的沖刷作用，孔隙喉道會被沖刷擴(kuò)大，儲層的滲透率會增加[5-8]；而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為低滲透儲層物性應(yīng)力敏感影響明顯，隨著地層壓力的降低，儲層中微裂縫閉合，且注入水與地層水和儲層巖石難以完全配伍，產(chǎn)生速敏、鹽敏和結(jié)垢，加之注入水中的固相及微生物影響，造成地層堵塞，導(dǎo)致儲層物性變差，降低儲層滲透率[9-23]?？偠灾蜐B透油藏注水傷害的機(jī)理比較復(fù)雜，與儲層巖石的礦物組成、地層流體性質(zhì)等地質(zhì)條件及注水方式、注入水性質(zhì)等工程條件有直接關(guān)系。

南梁長4+5油藏位于陜北斜坡南部，是鄂爾多斯盆地的重要產(chǎn)油區(qū)，油藏埋深為1 820～2 060 m，以三角洲前緣亞相為主，主要成分為長石砂巖，以砂泥巖互層沉積為主要沉積體系；孔隙類型以粒間孔發(fā)育為主，其次是溶孔發(fā)育，還發(fā)育有少量的晶間孔、微孔與微裂隙；巖心氣測滲透率主要為0.02～0.20 mD，孔隙度主要為6%～13%，為低孔低滲儲層，且非均質(zhì)性強(qiáng)。目前面臨綜合含水高、單井產(chǎn)能低，采油速度慢、地質(zhì)儲量采出程度低、注水壓力高等問題，通過動態(tài)分析認(rèn)為其原因?yàn)閮觽?。因此，為明確該油藏的注水傷害機(jī)理，通過巖心觀察，流體、巖石、垢樣組成分析實(shí)驗(yàn)等方式研究儲層傷害原因和傷害結(jié)果，明確結(jié)垢機(jī)理，為南梁長4+5低滲透油藏注水開發(fā)提供建議。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)巖心取自南梁長4+5油藏S03-33、S03-331、W105等10口探井和檢查井SJ22-431。根據(jù)不同類型實(shí)驗(yàn)的需要將巖心加工成圓柱狀、薄片狀和粉末狀；地層水由S21-34井井口樣品經(jīng)離心機(jī)分離得到；注入水取自注水站入井前的注入清水；垢樣取自S36-47、W35-5x等6口油水井。

實(shí)驗(yàn)儀器包括HKY-300氣體滲透率孔隙度測定儀、偏光顯微鏡、場發(fā)射掃描電鏡、MecroMR23-060H-I型核磁共振分析儀、布魯克D8X衍射分析儀、EDX2000Hedx能譜分析儀、CellInsight CX7 LZR 激光共聚焦高內(nèi)涵分析平臺、壓汞儀、MS6100多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀、短巖心驅(qū)替系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①開展注水前的孔滲測試、壓汞分析、掃描電鏡分析、鑄體薄片分析、核磁共振分析、巖石及黏土礦物組成分析、共聚焦顯微分析，研究儲層的潛在傷害。②分析注入水和地層水的化學(xué)組成、固含量、微生物含量等，研究地層水和注入水的潛在傷害。③開展短巖心長期注水模擬，利用巖心驅(qū)替裝置，在地層溫度和壓力下，飽和地層水，之后利用脫氣原油驅(qū)水，直至巖心出口端不出水，建立地層初始飽和度分布場。在較低的注水速度(0.5 mL/min)下注入驅(qū)替水，每隔0.5 h自動記錄巖心兩端的壓差和流量，并根據(jù)達(dá)西公式自動計(jì)算0.5 h的巖心液測滲透率，直至巖心滲透率連續(xù)5.0 h滲透率變化小于5%。④取出水驅(qū)后的巖心，重復(fù)步驟①，對比注水前后的儲層特征變化。⑤對井下垢樣開展X射線衍射、能譜和電子探針掃描分析，研究結(jié)垢堵塞物的組成、產(chǎn)狀，分析結(jié)垢的機(jī)理。⑥根據(jù)儲層傷害機(jī)理，開展儲層傷害解除實(shí)驗(yàn)。利用巖心驅(qū)替裝置，對巖心進(jìn)行地層水驅(qū)，累計(jì)注水量達(dá)到20倍孔隙體積，再注入20倍孔隙體積未加防垢劑的注入水(簡稱源水)，建立初始結(jié)垢儲層。從巖心出口端反向注入少量的5%HCl溶液進(jìn)行酸化，1.0 h后返排。返排結(jié)束后依次采用地層水、加入防垢劑的注入水(簡稱清水)、源水進(jìn)行驅(qū)替，每種水的注入量均為20倍孔隙體積。儲層傷害解除實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算巖心液測滲透率，并分析其變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 儲層潛在傷害因素

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，南梁長4+5油藏儲層潛在傷害因素包括3個方面：一是黏土礦物組成。全巖主要以石英、斜長石為主，含有少量方解石，鉀長石等，黏土礦物主要為綠泥石(34%～70%)，其次為伊蒙混層(12%～42%)、高嶺石(10%～15%)、伊利石(5%～13%)，這些黏土礦物易引發(fā)水敏、鹽敏和酸敏傷害，導(dǎo)致微粒運(yùn)移和堵塞，也可能產(chǎn)生鈣質(zhì)和鐵質(zhì)結(jié)垢沉淀。二是黏土礦物和巖石顆粒的產(chǎn)狀。注水前，巖石顆粒表面分布大量櫛殼式、橋接式黏土微粒，在注入水流法向力作用沖刷下易運(yùn)移和堵塞喉道(圖1a)；巖石顆粒以點(diǎn)接觸和線接觸為主；粒間孔、粒間溶孔、碳酸鹽溶孔等孔隙類型多樣，各種孔隙占比差異較大，井間孔徑差異較大，儲層的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，存在微粒運(yùn)移、卡斷堵塞、結(jié)晶堵塞潛在傷害(圖1b)。三是孔隙結(jié)構(gòu)。共聚焦成像分析表明(圖2)，孔隙喉道細(xì)小，連通性差，孔隙襯里綠泥石發(fā)育，易被注入水沖刷，從巖石顆粒表面脫落，運(yùn)移并堵塞喉道，降低儲層滲透率，形成地層傷害。根據(jù)室內(nèi)速敏實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，儲層在注入流體后存在一定程度的損害，表現(xiàn)為弱—中等速敏，因此，注入流速不宜過高，應(yīng)采用穩(wěn)定較溫和注水方式(小于0.6 mL/min)，同時在注入水中加入黏土穩(wěn)定劑。

圖1 水驅(qū)前后掃描電鏡和鑄體薄片分析對比

圖2 探井W77井水驅(qū)前后共聚焦顯微照片

2.2 流體潛在傷害因素

南梁長4+5油藏地層流體潛在傷害因素包括4個方面(表1、2)：一是地層水中Ca2+、Mg2+、SO42-含量較高，產(chǎn)生無機(jī)垢的風(fēng)險較大；二是地層水中的懸浮固體含量較高(260 mg/L)，固相堵塞風(fēng)險較大；三是地層水弱酸性，pH值為5.6，對酸敏性礦物和井下管材具有一定的傷害；四是注入水中細(xì)菌含量高，其中腐生菌多達(dá)10～100個/mL，易產(chǎn)生細(xì)菌堵塞，導(dǎo)致滲透率傷害。此外，注入水與地層水配伍性較差，注水過程中，極容易導(dǎo)致注入水與儲層巖石不配伍，產(chǎn)生黏土水化膨脹和分散運(yùn)移等，降低儲層滲透率。實(shí)驗(yàn)測得儲層的臨界礦化度為90 000 mg/L，而注入水礦化度為1 311 mg/L，遠(yuǎn)低于臨界礦化度，極易引發(fā)鹽敏，導(dǎo)致地層滲透率降低。工區(qū)內(nèi)注入水中懸浮固體含量、細(xì)菌含量均未達(dá)標(biāo)，溶解氧、CO2等輔助性指標(biāo)未檢測，更加弱化了注入水與地層水配伍性，造成了注水壓力升高快，后期注不進(jìn)水的結(jié)果，建議制訂相應(yīng)的改進(jìn)水質(zhì)措施。

表1 地層流體礦化度分析

表2 地層流體物質(zhì)含量分析

2.3 水驅(qū)油藏地層傷害機(jī)理

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)變化

由水驅(qū)前后的掃描電鏡對比(圖1a、c、e)可知：檢查井和水驅(qū)后探井巖心與水驅(qū)前探井巖心相比，粒間、粒表更加光滑，壁面上無或僅有少量黏土礦物；粒間絲縷狀伊利石填隙物減少，黏土的尖銳、毛刺分布現(xiàn)象明顯減少；注入水對顆粒壁面沖刷及黏土節(jié)枝折斷的痕跡更明顯。該現(xiàn)象表明巖石顆粒和黏土增大了儲層與注入水的接觸面積，增加了液固相之間離子交換和吸附的幾率，也增加了結(jié)垢的可能性。

由水驅(qū)前后的鑄體薄片對比(圖1b、d、f)可知：檢查井和水驅(qū)后探井巖心孔隙內(nèi)的填隙物明顯比水驅(qū)前的探井少，部分微孔隙、微裂縫及喉道處有堵塞現(xiàn)象，大顆粒間孔隙更加零散孤立，其原因?yàn)樽⑺^程中黏土填隙物分散運(yùn)移，在小孔隙和喉道處堆積。

由水驅(qū)前后的共聚焦顯微對比(圖2)可知：水驅(qū)后巖石顆粒表面的黏土襯里結(jié)構(gòu)局部受到嚴(yán)重破壞，部分巖石顆粒表面的黏土完全脫落，分散在孔隙空間和小吼道中；部分巖石顆粒表面上的黏土襯里結(jié)構(gòu)處于脫落或半脫落狀態(tài)，注水壓差增大會加劇脫落風(fēng)險，加深地層堵塞程度；隨著注入水進(jìn)入地層，一些細(xì)小的巖石顆粒被沖刷脫落，隨流體在孔隙空間內(nèi)運(yùn)移，當(dāng)移動至喉道時易被卡住而形成微粒運(yùn)移堵塞。

此外，由水驅(qū)前后的高壓壓汞曲線(圖3)可知，水驅(qū)后的相同進(jìn)汞飽和度下巖心的毛管壓力增加，大孔隙占比減少，小孔隙占比增加。由核磁共振T2圖譜(圖4)可知，代表大孔隙的T2值信號強(qiáng)度(第2個駝峰)明顯消失。說明大孔隙空間易被水化膨脹的黏土礦物(綠泥石)或地層微粒堵塞，儲層孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變，尤其是連通孔喉整體減少。

圖3 S03-331井巖心水驅(qū)前后壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖4 S03-331井水驅(qū)前后核磁共振T2譜

2.3.2 巖石和黏土礦物組成變化

水驅(qū)前后巖心全巖和黏土礦物組成變化見表3。由表3可知：水驅(qū)后實(shí)測填隙物含量降低了0.3～0.5個百分點(diǎn)，巖石中鉀長石、方解石、白云石普遍減少；黏土礦物中伊蒙混層含量普遍減小，伊利石、綠泥石普遍增加。主要原因：一是注入水與地層水存在礦化度差，隨著注入水進(jìn)入儲層，地層水與儲層的鹽度平衡體系被破壞，產(chǎn)生了離子交換；二是伊蒙混層更容易發(fā)生水化膨脹而運(yùn)移，相對含量有所下降。

表3 全巖和黏土礦物含量變化

2.3.3 滲流特征變化

注入地層水時，初期液測滲透率相對較高，改注注入水后滲透率迅速降低，后期趨于穩(wěn)定。不同巖心滲透率下降的速率和達(dá)到穩(wěn)定的時間相差較大，滲透率變化表現(xiàn)為快速遞減、緩慢遞減、降幅較小、后期回升4種類型(圖5)。產(chǎn)生這種差異的原因主要為注入水與地層水及儲層巖石的雙重不配伍，導(dǎo)致黏土礦物發(fā)生水化膨脹，分散運(yùn)移而堵塞喉道，由于巖石的礦物組成不一，地層傷害的速率及程度也不相同，孔喉半徑越小，綠泥石含量越高，滲透率遞減越快，降幅越大。水驅(qū)早期滲透率的傷害程度為3%～27%，水驅(qū)末期滲透率的傷害程度為26%～54%。經(jīng)歷長期注水后，地層水、注入水與巖石重新建立平衡，受持續(xù)沖刷影響，部分巖樣連通孔隙增多，滲透率有所回升(圖5d)。

圖5 液測滲透率隨注入量變化規(guī)律

2.3.4 結(jié)垢堵塞

對6口井的井下垢樣進(jìn)行XRD射線全巖組成分析(表4)可知：井下垢樣主要由方解石(CaCO3)、菱鐵礦(FeCO3)、黃鐵礦(FeS2)、赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)等組成，夾雜少量黏土、石英、長石、白云石類等地層微粒。采油井之間垢樣組成差異較小，主要為方解石，含量為39.0%～64.8%，其次為菱鐵礦，含量為3.9%～25.7%。注水井與采油井的垢樣組成相差較大，主要以磁鐵礦為主(66.0%)，其次為赤鐵礦(20.2%)。結(jié)合南梁長4+5的儲層特征，認(rèn)為該油藏CaCO3結(jié)垢機(jī)理為：注入水與地層水沖刷儲層孔壁，部分鈣質(zhì)礦物溶解析出Ca2+，與水中溶解的CO2反應(yīng)，產(chǎn)生了CaCO3；受沖刷作用影響，固相表面因失去陽離子而帶負(fù)電，加之孔壁微觀表面粗糙，積存大量油污和懸浮物，容易構(gòu)成引力場形成吸附中心，促使方解石微晶產(chǎn)生而引起結(jié)垢。綜上所述，注水井結(jié)垢機(jī)理主要為注入水和空氣與儲層中含鐵礦物反應(yīng)而成。

表4 垢樣組成分析

由垢樣能譜分析電子探針圖像(圖6)可知，CaCO3、FeS2、Fe3O4等垢樣以細(xì)粒形式結(jié)晶，微粒主要以微細(xì)—超微細(xì)形式吸附在結(jié)晶體的表面；結(jié)晶體的形狀包括塊狀、球狀、片狀和條狀，沉淀在井壁和地層孔隙內(nèi)，極容易堵塞孔隙，造成井筒周圍的污染。

圖6 井下垢樣顯微圖像

針對井筒周圍地層結(jié)垢問題，采用5%HCl溶液進(jìn)行酸化返排，清除結(jié)垢。井筒周圍儲層酸化解堵后，巖心滲透率可恢復(fù)至初始滲透率的70.9%～87.7%，但后續(xù)如果繼續(xù)采用清水或源水驅(qū)，由于注入水的礦化度遠(yuǎn)低于儲層的礦化度，儲層會再次受到污染，滲透率再次下降。因此，后續(xù)的注水過程中，除了加入防垢劑外，還需要采用與地層水礦化度相當(dāng)?shù)淖⑷胨?120 000 mg/L)。

3 結(jié) 論

(1) 南梁長4+5低滲油藏注入水水質(zhì)差，細(xì)菌、固相懸浮物含量和含油量均未達(dá)到注水指標(biāo)要求，引發(fā)固相堵塞。

(2) 注水后孔隙中黏土礦物出現(xiàn)脫落、翹起、分散、運(yùn)移等特征，碎屑巖石微粒出現(xiàn)脫落、卡斷現(xiàn)象，在部分小孔隙和喉道處堆積、散落，形成堵塞。

(3) 長期水驅(qū)后大孔隙普遍減少，滲透率降低，排驅(qū)壓力提高；黏土礦物含量減少，伊蒙混層、長石含量普遍減小，鈣質(zhì)、鐵礦物溶解析出的Ca2+、Fe2+進(jìn)入地層水中，產(chǎn)生結(jié)垢。