松辽盆地扶新隆起带北部扶余油层超低渗储层粘土矿物特征及其对敏感性的影响

马世忠，王海鹏，孙雨，吕品岐，满维光

1)东北石油大学,地球科学学院，黑龙江大庆,163318； 2)中国石油集团测井有限公司生产测井中心，西安，710000

内容提要: 以储层敏感性流动实验为基础，结合X射线衍射、扫描电镜、铸体薄片等方法，对松辽盆地扶新隆起带北部扶余油层超低渗储层粘土矿物特征及其对储层敏感性的影响进行了研究，结果表明：扶余油层主要含有绿泥石、伊利石、高岭石和伊/蒙混层等4种矿物，其中伊利石含量最多，绿泥石和伊/蒙混层次之，高岭石最少。储层速敏性和碱敏性相对较弱，水敏性和盐敏性较强，对储层影响较大，勘探开发时应重点关注。粘土矿物对储层水敏性的影响主要有3个方面，其中粘土矿物绝对总量是扶余油层水敏性强弱的主控因素。

近年来油气田勘探与开发的实践表明，储层敏感性研究在油气田勘探开发的全过程均有着弥足轻重的指导作用，尤其对储层保护、提高油气田产能、改善勘探开发效果及保持油气田持续高效的开采等方面具有极其重要的意义(蒋凌志等，2009)。有关学者对储层敏感性进行了很多卓有成效的研究，其中，大量学者对敏感性伤害机理及控制因素等问题进行了深入研究，认为储层敏感性受粘土矿物、储层物性、成岩作用、注入流体等多方面影响(张关龙等，2006a；李群等，2009；陈恭洋等，2010；邓杰等，2011；成赛男等，2013)，部分学者还对储层敏感性定性和定量预测进行了很多有益探讨(周锋德等，2007；单华生等，2012)，但通过文献调研发现所发表的敏感性方面的文献存在两个主要问题：① 所进行的研究多是针对中高渗储层及一般低渗储层，对超低渗乃至致密储层敏感性研究极少，与一般储层相比，超低渗储层非均质性强(宋岩等，2006；王瑞飞等，2009)，孔喉微小，孔隙结构复杂，物性较差，更容易遭受敏感性损害(王瑞飞等，2008；宋广寿等，2009)；② 敏感性控制因素分析多涵盖粘土矿物、物性、成岩作用等多个方面，对粘土矿物特征及其对敏感性影响进行精细分析的文献很少，而作为储层敏感性伤害的最主要原因，粘土矿物特征精细剖析及其对敏感性影响的研究意义很大，应得到更多关注和深入分析。

1 区域地质背景

扶新隆起带是松辽盆地中央坳陷区一个正向二级构造单元，它南部、西南部与长岭凹陷相连,南毗华字井阶地, 北临三肇凹陷和古龙大安凹陷, 东接长春岭—登娄库背斜带(孙雨等，2012)(图1)(孙雨，2010)。研究区位于扶新隆起带北部西坡，是松辽盆地南部较为重要的勘探开发区之一，主要开发层位是泉四段扶余油层，埋藏深度在1300～1850m之间。扶余油层沉积体系以大型河控浅水三角洲为主，大面积错叠连片分布的分流河道砂体是其主要储集砂体(孙雨等，2010)，储层处于中成岩A期(胡海燕等，2007)，成岩作用类型多样，其中压实强度为中—强压实，接触关系以线接触和点—线接触为主，胶结强度为中—强胶结，胶结类型多为再生—孔隙胶结和薄膜—孔隙胶结，岩性主要为岩屑质长石砂岩，含少量长石质岩屑砂岩，孔隙度范围为1.81%～14.2%，平均值为8.9%，渗透率范围为0.01×10-3～12.03×10-3μm2，平均值为0.39×10-3μm2，总的来说研究区储层成岩作用强烈，物性极差，孔隙结构复杂，属于特低孔、超低渗储层。

图1 松辽盆地扶新隆起带区域位置图 (据孙雨，2010改绘)Fig. 1 Regional location of the Fuxin uplift, Songliao Basin (modified after Sun Yu，2010)

近年来，该区已有多个区块相继投入开发，揭示了很好的成藏条件及含油气前景，但目前的地质认识相对不足，已不能满足油田勘探、开发的需要，产能普遍较低，因此急需提升对储层特征的认识，而储层敏感性研究对于储层勘探与开发都有很好的指导意义，更应进行深入研究。本文致力于超低渗储层粘土矿物特征及其对储层敏感性影响的精细研究，以便为该区及其他超低渗油藏的储层保护和科学高效的勘探开发提供必要依据和一定借鉴。

表1 松辽盆地扶新隆起扶余油层粘土矿物XRD分析结果Table 1 XRD results of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin

2 粘土矿物特征

2.1 粘土矿物类型、含量及分布规律

通过X射线衍射、扫描电镜、铸体薄片等方法对新229-4-14、庙124-2-1等10口井71个粘土矿物样品进行了分析(表1)，结果表明扶余油层粘土矿物含量偏多，绝对总量范围为2.61%～25.8%，平均值为7.6%，主要由绿泥石(C)、伊利石(I)、高岭石(K)和伊/蒙混层(I/S)等4种矿物组成，其中伊利石含量最多，相对含量为36.8%，绿泥石和伊/蒙混层次之，相对含量分别为23.8%和20.2%，高岭石最少，相对含量为19.3%，伊/蒙混层比为18.4%。

该区粘土矿物平面分布具有较强的非均质性，各井粘土矿物绝对总量及各类型矿物相对含量均有很大差异，分区性明显(图2)。研究区北部和中部地区粘土矿物含量相对较多，其中，中部地区粘土矿物以含大量高岭石为主要标志，高岭石相对含量多在40%左右，北部地区粘土矿物以伊利石为主，相对含量普遍在50%以上，伊/蒙混层次之，相对含量在25%左右。南部地区粘土矿物含量明显较少，绝对总量基本在5%以下，缺失高岭石，绿泥石含量明显增多。分析认为，扶余油层沉积体系以大型河控浅水三角洲为主，沉积微相类型多样，砂体切叠严重，平面非均质性较强，因而粘土矿物平面分布的较强非均质性可能也是扶余油层沉积体系复杂性的重要反映。

图2 松辽盆地扶新隆起扶余油层粘土矿物平面分布Fig. 2 Horizontal distribution of clay mineral in the Fuyu oil layer of Fuxin uplift, Songliao Basin

图3 松辽盆地扶新隆起扶余油层粘土矿物垂向分布Fig. 3 Vertical distribution of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin

扶余油层粘土矿物垂向分布规律相对较好(图3)，随埋深增加，伊/蒙混层、绿泥石和高岭石相对含量都呈下降趋势，伊利石相对含量不断增加，这揭示随埋深增大，扶余油层成岩作用强度不断增强，导致伊/蒙混层、绿泥石、高岭石等矿物变得不稳定，从而向更稳定的伊利石等矿物转化(闫相宾等，2002；朱如凯等，2007)。高岭石含量随深度的变化规律相对复杂，含量普遍较低，整体呈下降趋势，其中在1450～1600m区间出现明显高值。

2.2 粘土矿物特征

粘土矿物产状对粘土矿物的稳定性有很大影响，同时其在孔喉内的分布位置也在一定程度上影响着粘土矿物膨胀及分散运移后对储层渗透性的损害大小(张关龙等，2006b；付正等，2008)。利用扫描电镜对储层内的粘土矿物产状特征和分布位置进行研究表明，四类矿物在孔喉内的分布位置无明显差异，但产状特征差异较大，这也影响着各类矿物对储层敏感性影响的差异。

伊利石主要呈丝发状、针叶状、不规则片状及絮状等产状贴附于颗粒表面或充填于粒间孔隙，部分伊利石在孔隙内形成粘土搭桥结构(图4a、4b)。其中，针叶状、不规则片状及絮状伊利石在孔隙中交替分布把原始孔隙分割成大量微细孔隙，增加了孔喉迂曲度，极大地降低了储层渗透率；丝发状伊利石在外来流体的冲击作用下容易被冲断带走，堵塞孔隙和吼道，降低渗透率，因此伊利石是速敏性的重要因素。此外，伊利石遇到低矿化度流体后也会发生一定程度的水化膨胀，缩小或堵塞孔喉，导致储层发生水敏、盐敏伤害。

绿泥石主要呈针叶状充填在孔隙中或贴附于颗粒表面(图4c)，部分呈绒球状存在，在孔隙中的胶结方式有孔隙衬垫孔隙充填，并且多见石英、伊利石和绿泥石共生。针叶状绿泥石多呈孔隙衬垫胶结贴附于颗粒表面，少量充填于粒间孔道，而绒球状绿泥石仅在颗粒表面有少量发现。绿泥石可由黑云母、角闪石、蒙脱石等矿物转化而来，自生绿泥石一般富含高价铁离子，与盐酸等酸液作用易产生氢氧化铁胶体沉淀，导致储层渗透率下降，是储层酸敏性因素之一。

图4 松辽盆地扶新隆起扶余油层粘土矿物扫描电镜特征Fig. 4 SEM characteristics of clay mineral in the Fuyu oil layer of the Fuxin uplift, Songliao Basin (a) 丝发状伊利石贴附粒表，×1600 (新229-4-14井，1471.88m)；(b) 粒间孔道中伊利石粘土搭桥，×1800 (新229-4-14井，1497.49m)；(c) 针叶状绿泥石充填粒间孔隙，×2000(新229-4-14井，1491.31m)；(d) 粒间充填书页状高岭石，×2880(庙114井，1522.43m)；(e) 粒间棉絮状伊蒙混层，×735(嫩2井，1743.85m)；(f) 蜂窝状伊蒙混层，×2700(嫩2井，1743.85m) (a) Silk-liked illite attached particleTable，×1600(XIN229-4-14，1471.88m); (b) Intergranular pores illite clay bypass，×1800 (XIN229-4-14，1497.49m); (c) Needle-liked chlorite filling intergranular porosity，×2000(XIN229-4-14，1491.31m); (d) Page-liked kaolinite filling intergranular，×2880(MIAO114，1522.43m); (e) Intergranular cotton wool illite/smectite mixed layer，×735(NEN2，1743.85m); (f) Honeycomb illite/smectite mixed layer，×2700(NEN2，1743.85m)

高岭石是长石和其他硅酸盐矿物天然蚀变的产物，多呈书页状、叠片状充填于粒间孔隙(图4d)。高岭石对碎屑颗粒的附着力及高岭石间的结合力都很弱，在外来流体的冲击作用下极易发生分散运移，堵塞或分割孔喉，是储层速敏伤害的主要因素。此外，高岭石也易与碱性流体作用，产生沉淀，导致储层渗透率下降。

伊/蒙混层是最常见的粘土矿物混合类型，是蒙皂石向伊利石过渡的产物，兼具蒙皂石和伊利石的储层特点，多呈棉絮状、蜂窝状、半蜂窝状等产状充填于孔隙或贴附于粒表(图4e、4f)，吸水性较强，从而导致粘土矿物水化膨胀，堵塞孔喉降低储层渗透率，是储层水敏性影响因素之一。

3 粘土矿物对储层敏感性的影响

对庙124-2-1、庙125-7-1、庙24-38、新229-4-14等4口井20个样品分别进行了水敏性(8块)、速敏性(5块)、盐敏性(4块)、碱敏性(3块)流动实验，并依据国家石油天然气行业标准(SY/T 5358-2010)对各样品实验结果进行了敏感性评价(表2)。结果表明，扶余油层储层速敏性较弱，碱敏性为中等偏弱，这两类敏感性伤害对储层影响较小，究其原因，主要有以下三方面：① 储层较强的成岩作用(尤其是胶结作用)是两类敏感性较弱的主要原因；② 整体较差的孔隙结构对两类敏感性有一定抑制作用；③ 高岭石含量相对较少，使储层发生速敏和碱敏伤害的物质基础不够充分。盐敏性和水敏性相对较强，对储层伤害较大，勘探开发时应重点关注。鉴于储层速敏和碱敏较弱，且盐敏伤害机理及影响因素与水敏相似，因此从实际应用考虑，本文只对粘土矿物对水敏性的影响进行单独研究。

表2 松辽盆地扶新隆起扶余油层敏感性实验评价表Table 2 Sensitivity experimental evaluationTable of the Fuyu oil layer in the Fuxin uplift, Songliao Basin

储层水敏性指外来流体进入地层后，引起粘土矿物水化膨胀、分散运移，缩小或堵塞孔喉，导致渗透率下降、储层伤害的现象(邱隆伟等，2009；王学武，2010)。作为储层水敏伤害的重要因素，粘土矿物类型、含量、产状、分布位置等多方面特征对储层水敏性强弱都有影响。研究表明，扶余油层超低渗储层粘土矿物对水敏性的影响主要有以下3个方面。

3.1 粘土矿物绝对总量是水敏性强弱的主控因素

粘土矿物是储层产生水敏伤害最主要的物质基础，扶余油层含有绿泥石、伊利石、高岭石和伊/蒙混层等4种粘土矿物，前人研究表明，4种粘土矿物均具有一定的遇水膨胀性(王风华，2007；邱隆伟等，2009)，因此粘土矿物绝对总量对储层水敏性大小会有一定影响。剖析庙125-7-1井S25、S30两个样品(中等偏弱水敏)和庙124-2-1井5号样品(强水敏)，对比发现，庙125-7-1井两个样品粘土矿物绝对总量分别为5.26%和4.21%，而庙124-2-1井5号样品粘土矿物绝对总量高达12.88%，两口井样品的粘土矿物绝对总量差异明显，四类粘土矿物(主要是伊/蒙混层矿物)相对含量有一定差异但不大，因此推断认为粘土矿物绝对总量的差异是两口井样品水敏性差异的主要原因。从扶余油层粘土矿物平面分布图上看(图2)，粘土矿物绝对总量与水敏性强弱之间也有很好的相关性，中部粘土矿物含量高值区样品水敏性较强，南部低值区样品水敏性较弱，粘土矿物绝对总量对水敏性平面控制作用明显。这表明粘土矿物绝对总量不仅是储层水敏性强弱的主要控制因素，其平面分区性也是水敏强弱分区性的最重要原因。

图5 粘土矿物相对含量与水敏指数关系图Fig. 5 Diagram of relative content of clay minerals and water sensitive index

3.2 粘土矿物类型及相对含量对水敏性有重要影响

据前述研究，扶余油层含有的四类粘土矿物因其产状特征的差异而对储层敏感性产生不同程度的影响，伊/蒙混层矿物主要呈棉絮状、蜂窝状、半蜂窝状等产状，该产状矿物较大的比表面积增加了其遇水膨胀的几率，使其对储层水敏性的影响较大，高岭石、伊利石和绿泥石三类矿物比表面积相对较小，遇水膨胀几率降低，对储层水敏性的影响也较小。此外，四类粘土矿物遇水膨胀率也有很大差异，参考徐同台等2003年(徐同台等，2003)对各类粘土矿物膨胀率的研究，扶余油层四类矿物中伊/蒙混层矿物膨胀率最大，16h膨胀率约为23.25%，高岭石和伊利石次之，16h膨胀率分别为10%和9.17%，绿泥石膨胀率最小。利用8个水敏样品的相关数据编制的水敏指数和粘土矿物相对含量关系图(图5)表明，伊/蒙混层和高岭石相对含量与水敏指数呈正比关系，绿泥石和伊利石相对含量与水敏指数呈反比关系，这表明膨胀率较大的粘土矿物相对含量越多储层水敏伤害越强。因此可认为粘土矿物类型及相对含量对储层水敏性强弱有重要影响。

3.3 粘土矿物分布于孔隙结构不同的储层对水敏性有一定影响

粘土矿物水化膨胀是储层水敏伤害的主因，颗粒分散运移带来的影响相对较小，同时由于扶余油层成岩作用强烈，颗粒间胶结紧密不易发生分散运移，因此，粘土矿物所在的储层孔隙结构情况就很大程度上控制了矿物水化膨胀后对储层水敏伤害的大小，当粘土矿物位于孔隙结构较差的储层时，因储层孔喉细小且连通性差，粘土矿物水化膨胀后更容易堵塞孔喉，对渗透率影响较大，从而造成严重的水敏伤害。解剖有常规压汞数据的庙24-38、庙125-7-1、新229-4-14等3口井7个样品也证实，粘土矿物所在储层的孔隙结构不同时对水敏性有一定影响(表3，图6)，同一口井不同样品间粘土矿物含量差异较小，水敏伤害程度受储层孔隙结构影响相对较大，随孔隙结构变差水敏性逐渐增强，基本无不符现象。不同井样品间水敏强弱与孔隙结构有不符现象，例如庙24-38井7-1、4-3两个样品和庙125-7-1井S25、S30两个样品孔隙结构差异不大，但两口井水敏性差异显著，分析发现，庙24-38井两个样品粘土矿物含量较高(8.85%和8.42%)，而庙125-7-1井两个样品粘土矿物含量明显较少(5.26%4.21%)，粘土矿物含量的较大差异是两口井水敏强度差异的主要原因，导致储层孔隙结构对水敏性的影响不够明显。因此认为，粘土矿物所在储层的孔隙结构对水敏性有一定影响，但相比粘土矿物含量其影响明显较弱。

表3 水敏样品孔隙结构参数Table 3 Pore structure parameters of water sensitive samples

图6 水敏样品毛管压力曲线Fig. 6 Capillary pressure curve of water sensitive samples

4 结论

(1)扶余油层主要含有绿泥石、伊利石、高岭石和伊/蒙混层等4种矿物，其中伊利石含量相对较多，绿泥石和伊/蒙混层次之，高岭石最少。四种矿物的产状特征有很大差异，这也一定程度上决定了四类矿物对储层敏感性有不同的影响。

(2)粘土矿物平面分布具有明显分区性，中部和北部地区粘土矿物含量较多，其中，中部地区以含大量高岭石为主要标志，北部地区则以伊利石为主，南部地区粘土矿物含量明显较少，且缺失高岭石，绿泥石的含量明显增多。

(3)扶余油层储层速敏性较弱，碱敏性中等偏弱，这两类敏感性伤害对储层影响相对较小，水敏性和盐敏性中等偏强，对储层伤害较大，因此勘探开发时应重点关注储层水敏和盐敏伤害。

(4)粘土矿物绝对总量是扶余油层水敏性强弱的主要控因，同时其平面分区性也是水敏强弱平面分区性的最重要原因。粘土矿物类型及相对含量对储层水敏性有重要影响，膨胀率较大的粘土矿物相对含量越多储层水敏伤害越强。粘土矿物分布于不同孔隙结构的储层对水敏性也有一定影响，当粘土矿物含量差异不大时储层孔隙结构对水敏性的影响相对明显。