張 奎，劉敦卿，黃 波，栗欽宇，何小東，葛洪魁*

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京),非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249)

吉木薩爾地區(qū)蘆草溝組油氣資源豐富，開(kāi)發(fā)前景廣闊。該地區(qū)主要產(chǎn)層為二疊系蘆草溝組，儲(chǔ)層具有源儲(chǔ)一體、近源成藏的特征，原生孔隙度、滲透率極低，是典型的非常規(guī)儲(chǔ)層，需借助水平井鉆井配合多級(jí)水力壓裂來(lái)獲得工業(yè)產(chǎn)能[1-3]。

非常規(guī)儲(chǔ)層中微納米孔隙廣泛發(fā)育，孔隙內(nèi)部毛細(xì)管力極強(qiáng)，自發(fā)滲吸現(xiàn)象格外顯著，促使大量壓裂液滲吸進(jìn)入儲(chǔ)層，并對(duì)儲(chǔ)層油氣產(chǎn)出產(chǎn)生重要影響[4-5]。非常規(guī)儲(chǔ)層滲吸問(wèn)題在近幾年得到了較為廣泛的研究，滲吸驅(qū)油作用逐漸得到了重視，有大量的研究表明致密儲(chǔ)層中滲吸作用是原油采出的重要?jiǎng)恿χ籟6-9]。近年來(lái)中外有不少地區(qū)借助滲吸驅(qū)油作用增產(chǎn)，有一部分取得了較好的效果，但也存在不少失敗的案例，說(shuō)明并非所有致密儲(chǔ)層都能夠發(fā)揮滲吸驅(qū)油的效果。

近年來(lái)對(duì)于吉木地區(qū)的儲(chǔ)層甜點(diǎn)預(yù)測(cè)方法、沉積微相、原油組分特征、孔隙結(jié)構(gòu)等相關(guān)問(wèn)題均有相關(guān)研究[10-16]，但針對(duì)吉木薩爾地區(qū)儲(chǔ)層的滲吸特征，以及滲吸驅(qū)油作用在地區(qū)的增產(chǎn)潛力的研究卻相對(duì)不足。吉木薩爾地區(qū)具有儲(chǔ)層巖性復(fù)雜、紋層高度發(fā)育的特征。通常致密儲(chǔ)層中紋層裂隙可發(fā)揮高速通道的作用，理論上可增強(qiáng)滲吸驅(qū)油效果。除紋層裂隙外，儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性是影響滲吸驅(qū)油作用的關(guān)鍵因素。發(fā)揮滲吸驅(qū)油的作用關(guān)鍵在于確保儲(chǔ)層對(duì)壓裂液具備較高的滲吸能力。目前通常采用驅(qū)替瓶滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)間接評(píng)價(jià)滲吸驅(qū)油效果，但該方法無(wú)法直觀體現(xiàn)不同尺度孔隙內(nèi)部原油的動(dòng)用程度，而核磁共振技術(shù)可以克服這一缺點(diǎn)。為探究吉木薩爾地區(qū)蘆草溝組的滲吸驅(qū)油特征以及滲吸驅(qū)油潛力，選取了蘆草溝組的井底巖心，借助室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)層巖心的孔隙結(jié)構(gòu)、紋層和潤(rùn)濕性特征進(jìn)行分析。此外，通過(guò)自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)層巖心的滲吸特征進(jìn)行研究，并借助核磁共振技術(shù)對(duì)自發(fā)滲吸采收率進(jìn)行定量分析，探討吉木薩爾地區(qū)蘆草溝組滲吸驅(qū)油作用的潛力。

1 地質(zhì)背景

吉木薩爾凹陷為準(zhǔn)噶爾盆地東部的次級(jí)構(gòu)造單元，北部為吉木薩爾斷裂與沙奇凸起，南部以三臺(tái)斷裂為界限，東部為古西突起，西部與西地?cái)嗔押捅比_(tái)相接，先后經(jīng)歷了海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造[17-18]。儲(chǔ)層為二疊系蘆草溝組，含油層以沙屑云巖、云質(zhì)粉砂巖、云屑砂巖為主，同時(shí)甜點(diǎn)段內(nèi)部含油層、差油層、干層交疊，巖性致密，非均質(zhì)性較強(qiáng)，開(kāi)發(fā)難度較大[19-21]。

2 儲(chǔ)層潤(rùn)濕特性

非常規(guī)儲(chǔ)層的孔隙普遍處于微納米級(jí)別，毛管力在孔隙尺度上形成的壓力梯度十分顯著，因此在非常規(guī)儲(chǔ)層中滲吸作用尤為顯著。發(fā)揮滲吸驅(qū)油作用需要足夠多的壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙，部分地區(qū)采取的壓后悶井措施，實(shí)質(zhì)上增加了儲(chǔ)層與壓裂液的接觸時(shí)間，促進(jìn)了儲(chǔ)層對(duì)壓裂液的滲吸量，進(jìn)而能置換出更多的原油。自發(fā)滲吸的首要?jiǎng)恿槊芰Γ鶕?jù)楊-拉普拉斯方程，在孔隙結(jié)構(gòu)、液體體系不變的前提下，毛管力的主控因素為儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。

目前評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖心潤(rùn)濕性最常用的方法為光學(xué)接觸角法，普遍采用空氣、水、儲(chǔ)層巖心表面的三相界面接觸角來(lái)分析儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。但油層條件下壓裂液的滲吸過(guò)程涉及到油、水、孔隙表面三相界面相互作用，因此采用氣、水、固體接觸角來(lái)判斷潤(rùn)濕性不一定準(zhǔn)確。為更準(zhǔn)確地分析吉木薩爾儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性，根據(jù)測(cè)井資料選取了蘆草溝組上甜點(diǎn)層段不同深度的含油層巖心，在測(cè)定了空氣-水-巖心接觸角的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試了油-水-巖心表面的三相接觸角。為區(qū)分油水兩相先后接觸巖心的順序?qū)?rùn)濕角的影響，測(cè)定了油水兩相各自?xún)?yōu)先接觸巖心條件下的油-水-巖心接觸角。潤(rùn)濕角測(cè)試在室溫條件下完成。測(cè)試的巖心分別來(lái)源于J251井及J301井，巖心表面平整光滑，測(cè)試用油為煤油，水為模擬地層水。由于水的密度大于煤油，在測(cè)試地層水環(huán)境下煤油的接觸角時(shí)，用巖心的下表面作為接觸面，以防止浮力作用下煤油脫離巖心表面，導(dǎo)致測(cè)量失敗。3種條件下的測(cè)試結(jié)果如圖1所示，其中水環(huán)境下的煤油與巖心表面接觸角圖片為上下翻轉(zhuǎn)后的圖片。

根據(jù)圖1所示接觸角測(cè)試結(jié)果，兩組巖心的空氣-水-巖心接觸角大于90°，表明巖心表面憎水。而在油水兩相環(huán)境中，巖心表面接觸流體的順序?qū)佑|角產(chǎn)生了很大的影響，巖心對(duì)最先接觸的流體具有更高的親和性，總體上在第二相流體存在的環(huán)境下，巖心表面對(duì)油水都具有一定的親和性，但親和性均較弱，呈現(xiàn)出巖心表面一旦被某一相流體覆蓋后，另一相流體難以置換的特性。整體上儲(chǔ)層巖心的原始潤(rùn)濕性對(duì)滲吸驅(qū)油較為不利，若要在該地區(qū)充分發(fā)揮滲吸驅(qū)油的作用，需要增加儲(chǔ)層親水性。

如圖2[22]所示，蘆草溝組甜點(diǎn)層段的含油性在縱向上變化比較頻繁，而縱向的含油性差異可能會(huì)進(jìn)一步影響層間的潤(rùn)濕性。而水力裂縫的縱向拓展距離通?？蛇_(dá)數(shù)十米，同一條水力裂縫可同時(shí)穿過(guò)含油層、差油層甚至干層。這種縱向的含油性差異對(duì)后期的滲吸會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生影響。

圖2 蘆草溝組井底巖心含油性的縱向分布[22]

3 層間自發(fā)滲吸特征

儲(chǔ)層的自發(fā)滲吸特征可通過(guò)自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)來(lái)直觀體現(xiàn)[23-24]。為分析蘆草溝組儲(chǔ)層的滲吸特征，選取了J251、J301、J37、J32這4口探井上甜點(diǎn)層段巖性相近、含油性顯著差異的巖心開(kāi)展了自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)。為避免滲吸液體中的添加劑組分對(duì)儲(chǔ)層原始物性造成影響，采用了去離子水作為滲吸流體。此外，為保證巖心的原始潤(rùn)濕性不受破壞，滲吸所用巖心不進(jìn)行洗油處理。自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)中巖心的質(zhì)量變化通過(guò)精度為10-4g的分析天平計(jì)量，計(jì)算機(jī)每間隔1 min采集一次質(zhì)量數(shù)據(jù)，獲取的壓裂液滲吸質(zhì)量對(duì)滲吸面積做歸一化處理，整個(gè)滲吸實(shí)驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行。4組巖心的自發(fā)滲吸結(jié)果如圖3所示。

圖3 4組巖心的自發(fā)滲吸曲線。

圖3中綠色曲線所對(duì)應(yīng)的巖心來(lái)自油層或含油層段，而紅色曲線所對(duì)應(yīng)的巖心來(lái)自干層或差油層層段。根據(jù)歸一化后的壓裂液滲吸曲線可知含油層段巖心在滲吸速度以及滲吸總量上均小于差油層與干層層段巖心。此外各層段巖心的滲吸平衡時(shí)間也存在顯著差異，其中J37井的兩塊巖心差異尤為顯著。

4組巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出的差異對(duì)充分利用自發(fā)滲吸驅(qū)油作用具有一定不利影響，更多的壓裂進(jìn)入差油層以及干油層，而油層以及含油層段的滲吸量則相對(duì)不足。要充分發(fā)揮滲吸驅(qū)油的作用，壓裂液需要盡可能多地進(jìn)入到高含油層，同時(shí)還需要降低差油層與干層的滲吸量，以降低壓裂液的損失。

除潤(rùn)濕性外，孔隙結(jié)構(gòu)也是影響滲吸的重要因素。J251井與J301井巖心的滲吸平衡時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，滲吸約4 d后仍保持著較高的滲吸速率，說(shuō)明巖心可能具有更多的孔隙空間，可持續(xù)提供滲吸的動(dòng)力與空間?？傮w上4口井油層、含油層段巖心的滲吸速率相對(duì)接近，但J32、J37井干層層段的巖心滲吸平衡時(shí)間相較于J301、J251井巖心要短得多，這與干層層段孔隙度較高、更為親水有關(guān)。

除含油性差異外，蘆草溝組產(chǎn)層段巖心紋層特征也十分顯著。紋層在沉積巖儲(chǔ)層中廣泛存在，在頁(yè)巖儲(chǔ)層中尤為明顯。大量的實(shí)驗(yàn)表明頁(yè)巖中的紋層可以促進(jìn)壓裂滲吸，同時(shí)也是燃?xì)猱a(chǎn)出的重要通道，紋層高度發(fā)育的層段往往具有更好的產(chǎn)能。對(duì)于吉木薩爾地區(qū)紋層是否能夠發(fā)揮頁(yè)巖層理類(lèi)似的作用需借助核磁共振、SEM電鏡以及X射線熒光光譜做進(jìn)一步分析。

4 孔隙及紋層特征

核磁共振技術(shù)在石油工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。核磁共振現(xiàn)象中氫原子的T2弛豫時(shí)間與氫原子所賦存空間尺度正相關(guān)，同時(shí)弛豫譜的振幅與某一尺度空間內(nèi)的氫原子總數(shù)正相關(guān)，因此飽和純水巖心的T2弛豫譜可反映巖心內(nèi)部的孔隙分布特征[25-26]。雖然目前致密儲(chǔ)層巖心還沒(méi)有公認(rèn)的直接將弛豫時(shí)間轉(zhuǎn)化為孔徑以及孔隙含量百分比的公式，但通過(guò)弛豫時(shí)間來(lái)間接分析巖心內(nèi)部不同尺度孔隙占比是科學(xué)且合理的。為分析巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，選取了自發(fā)滲吸干層層段中的巖心，可減少巖心內(nèi)部原油信號(hào)對(duì)水信號(hào)的干擾。巖心飽水前經(jīng)過(guò)了抽真空處理以確保巖心被純水充分飽和以獲得更完整的弛豫信號(hào)。飽水巖心的弛豫譜分別對(duì)各自振幅的最大值做歸一化以方便橫向?qū)Ρ?，各巖心歸一化后的弛豫譜如圖4所示。

圖4 飽水后巖心的T2弛豫譜

根據(jù)圖4所示弛豫譜特征可以看出，J251井、J301井的巖心擁有一定量的大孔隙，弛豫時(shí)間普遍處于100 ms以上。大孔隙在滲吸過(guò)程中毛管力相對(duì)不足，但可為滲吸流體提供更多的存儲(chǔ)空間，因此相對(duì)具有更長(zhǎng)的平衡時(shí)間。J37井與J32井巖心的孔徑分布特征較為相似，整體缺少大孔隙組分，以小孔隙為主導(dǎo)。而小孔隙組分可提供更充足的毛管力，滲吸的動(dòng)力相對(duì)更充足，相對(duì)的平衡時(shí)間也會(huì)更短。雖然4塊巖心巖性相同，取心層段也相近，但弛豫譜仍然反映出孔隙結(jié)構(gòu)上較大的差異，說(shuō)明吉木薩爾地區(qū)儲(chǔ)層物性在橫向上也存在較大的差異。這種橫向上孔隙結(jié)構(gòu)差異可能會(huì)導(dǎo)致井間壓后悶井效果存在較大差異。整體上，4塊巖心的弛豫譜中各譜峰之間沒(méi)有明顯的中斷與較大的間隔，說(shuō)明巖心內(nèi)部孔隙尺度分布比較均勻。儲(chǔ)層中層理裂隙的開(kāi)度普遍遠(yuǎn)大于基質(zhì)孔隙的開(kāi)度，因此弛豫譜上常常存在長(zhǎng)弛豫信號(hào)與短弛豫信號(hào)之間有明顯間斷的現(xiàn)象，而這4塊巖心的弛豫譜沒(méi)有顯著的間斷，說(shuō)明巖心內(nèi)部存在大開(kāi)度的層理裂隙的可能性較小。

為進(jìn)一步證實(shí)巖心內(nèi)部層理裂隙發(fā)育特征，選取紋層發(fā)育程度高的巖心，借助型號(hào)為Quanta FEG 200的環(huán)境掃描電鏡對(duì)機(jī)械拋光后表面噴金的樣品進(jìn)行了觀測(cè)，具體觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，J301井、J251井巖心的顆粒粒徑、磨圓度差異較大，視域內(nèi)孔隙主要以粒間孔隙為主，少見(jiàn)粒內(nèi)溶孔。此外，J251井巖心薄片上可觀測(cè)到一定量的微裂隙，這部分微裂隙位于尺寸較大的礦物顆粒與膠結(jié)物邊緣，這部分裂隙可能是J251井巖心T2譜中長(zhǎng)弛豫信號(hào)的來(lái)源。相較于J251井的巖心，J32井及J37井巖心在顆粒磨圓度上相對(duì)更好，J32井巖心能觀測(cè)到部分殘留的原油組分，這部分組分普遍分布在粒間孔隙內(nèi)部。在J37井的巖心中還觀測(cè)到礦物組分差異形成的邊界，圖5(g)、圖5(h)中亮度更高的組分中鈣含量相對(duì)更高。

根據(jù)掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果，紋層交互層段巖心內(nèi)部少有類(lèi)似頁(yè)巖沿層理方向廣泛排布的裂隙。因此巖心對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層的紋層在微觀上對(duì)壓裂液滲吸以及后期油氣產(chǎn)出作用可能遠(yuǎn)不如頁(yè)巖顯著。在SEM中觀測(cè)到了紋層發(fā)育段存在顯著的礦物組分差異，但SEM觀測(cè)樣品尺度非常有限，通常不超過(guò)幾個(gè)厘米，并不能完全判斷紋層發(fā)育是由礦物組分差異而非裂隙主導(dǎo)形成。

借助X射線熒光光譜技術(shù)，可對(duì)數(shù)十厘米級(jí)別的巖心進(jìn)行元素組分的含量以及分布進(jìn)行分析，可進(jìn)一步輔助分析紋層的形成因素。具體結(jié)果如圖6所示，可以看出鈣元素、鉀元素、鐵元素、硅元素的分布與巖心紋理位置高度吻合，其中鈣、鉀、鐵3種元素與紋層的對(duì)應(yīng)性尤為顯著。鈣元素多來(lái)自白云質(zhì)組分，而鉀元素多來(lái)自長(zhǎng)石組分，鐵元素多來(lái)自黃鐵礦或菱鐵礦類(lèi)組分。元素與紋層分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明儲(chǔ)層明暗相間的紋層主要是由沉積物源的巖性差異所形成的。根據(jù)SEM中的觀測(cè)，巖性變化的邊界膠結(jié)良好，同時(shí)礦物顆粒也沒(méi)有顯著的定向排列特征，因此這部分紋層交互變化特征對(duì)促進(jìn)形成紋層方向的裂隙、增強(qiáng)紋層方向滲透能力的作用比較有限。

cps表示能譜的計(jì)數(shù)率

5 滲吸驅(qū)油效率

為進(jìn)一步確定吉木薩爾地區(qū)滲吸作用可獲得的采收率，選取了儲(chǔ)層物性較好層段的巖心開(kāi)展自發(fā)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。該層段孔隙度約為14%，測(cè)井含油飽和度高于85%。巖心由于保存時(shí)間較長(zhǎng)，孔隙內(nèi)部原油的輕質(zhì)組分揮發(fā)比較嚴(yán)重，為模擬儲(chǔ)層原有的含油條件，將巖心抽真空后飽和了儲(chǔ)層原油與煤油的調(diào)和油。調(diào)和油黏度與地層溫度下原油黏度相對(duì)應(yīng)，約為10 mPa·s。同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性、滲吸特征分析的結(jié)果，為促進(jìn)流體的滲吸，在液體中添加了表活劑(AES，質(zhì)量百分濃度為0.1%)以增強(qiáng)巖心表面的親水性。為分析孔隙內(nèi)部原油的動(dòng)用程度，用重水配置滲吸液，由于重水沒(méi)有核磁信號(hào)，核磁檢測(cè)到的信號(hào)為原油信號(hào)。根據(jù)核磁共振的基本理論，弛豫譜面積與巖心內(nèi)部的氫原子總量正相關(guān)，因此，可通過(guò)譜面積的變化計(jì)算滲吸過(guò)程中的采收率[27]。滲吸驅(qū)油過(guò)程中的弛豫譜變化及采收率如圖7所示。

圖7 滲吸驅(qū)油過(guò)程中的T2弛豫譜及采收率變化

根據(jù)譜面積變化計(jì)算得出的滲吸驅(qū)油采收率約為23%，弛豫譜中兩個(gè)譜峰信號(hào)均有降低，說(shuō)明自發(fā)滲吸作用對(duì)巖心大、小孔隙內(nèi)部的原油均具有一定的動(dòng)用能力。對(duì)比相關(guān)文獻(xiàn)中長(zhǎng)慶致密油儲(chǔ)層滲吸采收率(25%左右)[28]，人造低滲透巖心滲吸采收率17%[29]、長(zhǎng)8段采滲吸收率(5%～18%)[30]、延長(zhǎng)油田天然露頭約采收率(15%～25%)[31]、某陸上致密儲(chǔ)層滲吸采收率(25%)[32]，23%的實(shí)際采收率表明滲吸驅(qū)油作用在吉木薩爾地區(qū)具有一定的潛力，配合一定的潤(rùn)濕性添加劑體系，可以達(dá)到較好的滲吸驅(qū)油效果。

6 結(jié)論

(1)吉木薩爾蘆草溝組儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性與儲(chǔ)層接觸流體歷史有關(guān)，儲(chǔ)層原始條件下巖心對(duì)油水的親和性均較弱；同時(shí)縱向含油飽和度頻繁變化影響儲(chǔ)層對(duì)壓裂液的滲吸量，干層滲吸量大而油層滲吸量少。

(2)吉木薩爾蘆草溝組明暗交互的紋層主要由沉積物源礦物組分差異引起，微觀上少有沿層理方向定向排列的層理微裂隙，紋層對(duì)形成高滲通道，促進(jìn)滲吸以及原油排采貢獻(xiàn)比較有限。

(3)吉木薩爾自身的儲(chǔ)層物性對(duì)高效滲吸驅(qū)油較為不利，需調(diào)整儲(chǔ)層潤(rùn)濕性；自發(fā)滲吸驅(qū)油作用在該地區(qū)具有一定的潛力，自發(fā)滲吸采收率在23%左右，儲(chǔ)層內(nèi)大小孔隙內(nèi)原油均能被滲吸作用有效動(dòng)用。