魏建光 付蘭清 趙國(guó)忠 李斌會(huì) 趙小青 王安倫

（1.陸相頁(yè)巖油氣成藏及高效開(kāi)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(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)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(guó)頁(yè)巖油資源量豐富，技術(shù)可采儲(chǔ)量約為55×108t，松遼盆地古龍頁(yè)巖油勘探已經(jīng)取得了重大突破［1-5］，預(yù)測(cè)石油地質(zhì)儲(chǔ)量約12×108t，是大慶油田重要的接替資源，加快頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)是保障石油戰(zhàn)略安全的現(xiàn)實(shí)途徑。在古龍頁(yè)巖儲(chǔ)集空間特征、頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)規(guī)律、動(dòng)態(tài)模擬、效益評(píng)價(jià)研究上已取得一些探索成果［6-9］，但對(duì)于古龍頁(yè)巖油輸運(yùn)機(jī)理和受外來(lái)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(yè)巖油儲(chǔ)層主要采用長(zhǎng)水平井結(jié)合大規(guī)模多級(jí)壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在壓裂過(guò)程中向儲(chǔ)層中注入大規(guī)模外來(lái)流體，外來(lái)流體對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的改變將直接影響開(kāi)發(fā)效果，因此，需要針對(duì)不同類(lèi)型外來(lái)流體對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙造成的傷害或改善進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。目前，儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)研究多以常規(guī)砂巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象［10-15］，針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的敏感性研究較少，且多集中于海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層［16］。與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層不同，古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)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(yè)巖儲(chǔ)層在有機(jī)質(zhì)含量及石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等礦物含量方面與海相頁(yè)巖儲(chǔ)層也有較大差異［17-20］。此外，已有的頁(yè)巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)多以巖心滲透率改變值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層同時(shí)富含微—納米級(jí)孔隙及微米級(jí)天然裂縫，具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)，流體在微—納米級(jí)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(píng)價(jià)指標(biāo)僅能反映流體對(duì)裂縫空間的改變，但研究表明，流體在微—納米級(jí)孔隙中的滲吸作用也會(huì)顯著影響開(kāi)發(fā)效果。針對(duì)古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層有必要開(kāi)展不同尺寸孔隙空間對(duì)外來(lái)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(cè)試技術(shù)開(kāi)展古龍頁(yè)巖巖心浸泡外來(lái)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(píng)價(jià)古龍頁(yè)巖巖心不同尺寸孔隙對(duì)外來(lái)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(yè)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(jiàn)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(cè)試是儲(chǔ)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(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試過(guò)程對(duì)巖石無(wú)破壞性且可測(cè)定的孔隙尺寸范圍廣，能夠適應(yīng)頁(yè)巖油儲(chǔ)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(cè)試技術(shù)開(kāi)展頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體敏感性研究。本文分別對(duì)飽和地層水巖心及飽和外來(lái)流體并浸泡后巖心開(kāi)展二維核磁T1—T2譜測(cè)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(hào)分布，提取出巖心孔隙空間內(nèi)流體信號(hào)T2譜，對(duì)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(cè)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(hào)T2譜確定巖心的孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)下的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，確定巖心孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體的敏感性。由于目前缺少針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)敏感性的國(guó)家或行業(yè)評(píng)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(píng)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(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》SYT5358—2010［21］確定外來(lái)流體對(duì)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(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體的敏感性評(píng)價(jià)方法并參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》SYT5358—2010［21］形成了頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)步驟：（1）配置地層水和外來(lái)流體，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)；（2）烘干頁(yè)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(duì)巖心進(jìn)行核磁測(cè)試；（5）再次烘干頁(yè)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(lái)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(duì)巖心進(jìn)行核磁測(cè)試；（7）對(duì)巖心平行樣進(jìn)行高壓壓汞測(cè)試，基于高壓壓汞測(cè)試結(jié)果及巖心飽和地層水的核磁測(cè)試結(jié)果完成核磁弛豫時(shí)間—孔隙尺寸轉(zhuǎn)換，量化頁(yè)巖巖心飽和地層水、飽和外來(lái)流體后不同尺寸孔隙的孔隙度，根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體的敏感性。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件

本文基于建立的頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體的敏感性評(píng)價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)古龍頁(yè)巖油儲(chǔ)層巖心開(kāi)展了敏感性評(píng)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(guó)MR Cores-XX 低場(chǎng)高頻（23 MHz）核磁共振儀進(jìn)行巖心核磁測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)流體的敏感性評(píng)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(cè)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(duì)應(yīng)的信號(hào)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(duì)比結(jié)果。由圖2 可知，古龍頁(yè)巖總孔隙度隨著外來(lái)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(yè)巖與外來(lái)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(duì)不同強(qiáng)度酸液敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果。由表3 可知，酸液對(duì)總孔隙度具有弱改善作用，酸液溶蝕頁(yè)巖對(duì)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(duì)古龍頁(yè)巖總孔隙度具有弱改善作用，且隨著外來(lái)流體酸性的增強(qiáng)造成頁(yè)巖總孔隙度增大；酸液對(duì)古龍頁(yè)巖微孔具有強(qiáng)改善作用，對(duì)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(duì)酸液敏感性評(píng)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(lái)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(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)的信號(hào)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(duì)比結(jié)果。由圖4 可知，外來(lái)堿性流體對(duì)古龍頁(yè)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(yè)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(yè)巖與外來(lái)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(lái)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(duì)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(duì)不同強(qiáng)度堿液敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果，由表5 可知，堿液溶蝕頁(yè)巖對(duì)微孔弱改善，同時(shí)對(duì)小孔造成弱傷害，堿液對(duì)總孔隙度具有弱傷害作用。綜上，堿液對(duì)古龍頁(yè)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(duì)古龍頁(yè)巖微孔弱改善，對(duì)小孔造成弱傷害。

表5 橫6-4補(bǔ)巖心孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)堿液敏感性評(píng)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(cè)試得到的T1—T2二維譜，由圖5 可知，浸泡滑溜水后核磁信號(hào)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(duì)比結(jié)果。由圖6 可知，滑溜水對(duì)古龍頁(yè)巖總孔隙度基本沒(méi)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(yè)巖與滑溜水作用后納米級(jí)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(duì)不同濃度滑溜水敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果，由表7 可知，滑溜水對(duì)微孔、小孔、中孔、大孔孔隙度基本無(wú)影響，頁(yè)巖總孔隙度對(duì)滑溜水溶液不敏感。綜上所述，古龍頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)中性滑溜水不敏感，古龍頁(yè)巖與中性滑溜水作用后納米級(jí)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(duì)滑溜水敏感性評(píng)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(lái)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(duì)比Fig.6 Comparison of pore radius distributions of Core 15#at initial conditions and after immersed in slick water

2.2 頁(yè)巖對(duì)外來(lái)流體的敏感性機(jī)理

為探究古龍頁(yè)巖對(duì)外來(lái)流體的敏感性機(jī)理，對(duì)6 塊巖心進(jìn)行了XRD 全巖定量檢測(cè)及黏土礦物相對(duì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8 和表9。由表8 和表9可以看出：古龍頁(yè)巖普遍含有石英、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦及黏土礦物，部分頁(yè)巖含有鉀長(zhǎng)石、方解石、鐵白云礦、菱鐵礦；古龍頁(yè)巖中黏土礦物主要為伊利石、綠泥石及伊/蒙混層，部分頁(yè)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(yè)巖可以對(duì)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(huì)生成單質(zhì)硫沉淀。氫氟酸能夠溶解古龍頁(yè)巖中的黏土礦物、長(zhǎng)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(yè)巖與酸液作用后會(huì)發(fā)生溶蝕也會(huì)生成沉淀，結(jié)合古龍頁(yè)巖對(duì)酸液的敏感性評(píng)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(yè)巖中的黏土礦物、石英、長(zhǎng)石等礦物發(fā)生溶解作用，同時(shí)生成膠體或沉淀致使儲(chǔ)層孔隙空間總體上減小。古龍頁(yè)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(yè)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(duì)頁(yè)巖的孔隙空間影響很小，因此，古龍頁(yè)巖對(duì)中性的滑溜水不敏感。

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

表9 黏土礦物相對(duì)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(duì)古龍頁(yè)巖總孔隙度具有弱改善作用，且隨著外來(lái)流體酸性增強(qiáng)而頁(yè)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(duì)古龍頁(yè)巖微孔明顯改善，且隨著外來(lái)流體酸性的增強(qiáng)頁(yè)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(duì)古龍頁(yè)巖微孔具有強(qiáng)改善作用，對(duì)小孔造成弱傷害。

（2）堿液對(duì)古龍頁(yè)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(duì)古龍頁(yè)巖微孔略有改善，古龍頁(yè)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(duì)古龍頁(yè)巖微孔弱改善，對(duì)小孔造成弱傷害。

（3）古龍頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)中性流體不敏感，古龍頁(yè)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。