关中地区中深层热储岩石学特征及潜在损害因素分析_罗向荣.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（）；陕西省地质勘查基金项目（）第一作者：罗向荣，男，陕西宝鸡人，博士，副教授，从事提高油气采收率、低渗储层渗流机理及地热能开发研究，。地球科学关中地区中深层热储岩石学特征及潜在损害因素分析罗向荣，赵智强，郭鸿，王璐，张乐，刘建强，任晓娟，平婉卓，（西安石油大学 西部低渗特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心，陕西 西安；西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安；陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安；陕西省城市地质与地下空间工程技术研究中心，陕西 西安）摘要 为搞清关中地区中深层热储的潜在损害因素，以区内蓝田灞河组热储岩样为研究对象，采用铸体薄片、粒度分析、扫描电镜、扫描及 衍射等手段，在岩性分类的基础上，开展填隙物、物性及孔隙结构的研究，着重分析敏感性矿物、储渗空间与热储损害的关系。结果表明，各类热储岩石的黏土矿物质量分数从高到低依次为：粉砂岩 细砂岩 中砂岩 砂砾岩。热储层岩石物性分布范围较宽，渗透率与孔隙度存在一定的正相关关系。热储岩石的物性按岩性从好到差依次为：砂砾岩 中砂岩 细砂岩。杂基质量分数越高，热储岩石的物性越差。各类热储岩石中较大尺寸的孔喉对渗透率的贡献大，热储岩石中的地层微粒尤其是黏土矿物，在与外界流体接触或所处环境改变时，很容易发生分散、运移，对储层造成损害；热储岩石胶结疏松的特征加剧了热储岩石自身的微粒运移。关键词 关中地区；热储岩石；损害；黏土矿物；物性；微粒运移中图分类号：，（，；，；，；，），：，；关中盆地位于鄂尔多斯盆地及秦岭造山带的过渡部位，受深部热源及构造发育等因素的影响，盆地热源及地热地质条件良好。据有关研究结果显示，全盆地中深层地热资源总量相当于标准煤 ，为陕西全省探明煤炭资源总量的.倍。热储岩性包括砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩等，多呈砂泥互层分布，且热储岩石胶结疏松。通过长时间的地热井生产实践，发现研究区普遍存在储层损害现象，如地热井产能下降、尾水回灌衰减快、回灌堵塞等。然而，目前中国学者对热储层损害及保护技术的研究极少。因此，亟需对关中地区热储层的岩石学特征进行研究，搞清储层潜在的损害因素及机理，为热储的高效开发提供理论支撑。本研究从保护储层渗流通道的基本理念出发，对不同岩性热储层的岩石学特征进行深入的研究，得到了不同岩性热储层岩石的成分、孔隙结构特征，并分析了潜在的损害因素，为认识和研究热储层的损害机理提供依据。热储层的基本地质概况关中盆地是在不同构造基底之上的叠合式沉积盆地，其形成及演化过程呈多期的隆升和沉降。关中盆地地形自山区向盆地中心呈阶梯级降落，其地貌依次为基岩山、山前洪积扇、黄土台塬、河谷阶地。渭河自西向东横贯盆地中部，在潼关汇入黄河。地貌类型多，结构复杂，分布格局主要受阶状正断层和次级断块的差异运动所控制。关中盆地北部为斜坡带，南部为拗陷区（见图）；其由两个斜列的次级凹陷组成，即西安凹陷和固市凹陷，沉积厚度大，西安凹陷约 ，固市凹陷约 ；其主要的沉积时间由南西向北东逐渐变新，沉积中心偏南，南深北浅，为一“南断北超”的箕状凹陷，时代越新，特征就越明显。关中盆地断层极为发育，其边缘断裂常为两组断层追踪而成，形成锯齿状边界（见图）。图 关中盆地构造分区图 第 期 罗向荣，等：关中地区中深层热储岩石学特征及潜在损害因素分析 关中盆地地处华北板块西部的鄂尔多斯地块与秦岭造山带之间，出露地层从太古界到新生界均有分布，前新生界及花岗岩构成了盆地的基底并出露于盆地边缘，巨厚的新生界形成了辽阔的关中盆地。关中盆地主要的热储地层分布于新生界地层，热储层主要包括第四系三门组以及新近系张家坡组、蓝田灞河组和寇家村冷水沟组（高陵群）等，新生界（）地层大面积深埋于盆地之下和出露于地表，为关中盆地地热井的主要开采层段。热储地层从古近系到第四系均有分布，缺失古近系古新统，始新统超覆于前新生界之上。本研究主要针对区内分布面积广、厚度大的蓝田灞河组热储层岩样展开分析。图 关中盆地主要断裂分布图 颗粒成分及岩性分类根据粒度分析、岩性观察和薄片鉴定结果，研究区热储层岩石大都是由几个不同粒级的碎屑所组成，热储层岩性主要包括 大类。）砾岩类。从颗粒成分来看，的砾石以石英为主，大砾石以变质岩为主，颗粒分布不均，属强小动力，快速堆积，胶结较为疏松，易碎裂（见图）。从粒度分布来看，中砾岩的粒度分选性较好，粒径分布在 .，含砂砾岩的粒度分选性相对较差，粒径主要分布在.（见图），其中包括中砾、细砾、粗砂、中砂等多个粒级。对于砂砾岩，由于很难制作铸体薄片而在镜下对碎屑颗粒的接触方式、孔隙特征等进行观察，故在制成砂砾岩模型后，将染色的环氧树脂压入制成的砂砾岩模型，待胶完全固结后打开砂砾岩模型，横切断面后在镜下进行观察（见图）。结果显示，砂砾岩颗粒的接触方式以点接触为主，岩石胶结程度较差，孔喉空间大。图 热储层砂砾岩岩心及铸体截面分析 西北大学学报（自然科学版）第 卷图 热储岩样粒度分布图 第 期 罗向荣，等：关中地区中深层热储岩石学特征及潜在损害因素分析 ）中砂岩类。中砂岩的碎屑颗粒以岩屑为主，其次为石英，少许长石（见图）。岩屑以千枚岩岩屑、糜棱岩岩屑、片岩岩屑和变余粉砂岩岩屑为主，少许泥岩岩屑，部分岩屑发生溶蚀。石英以单晶为主，少许石英发生破裂或溶蚀，部分石英发生次生加大，加大边宽 。长石以钾长石为主，其次为斜长石，长石普遍发生泥化，少许长石发生溶蚀。填隙物主要为黏土矿物，少许不透明矿物或硅质。黏土矿物呈隐晶状或薄膜状包裹碎屑颗粒。不透明矿物呈不规则状，零星分布。岩石致密度为疏松，碎屑颗粒主要呈次棱或次棱 次圆状，分选程度中等，接触关系以点接触为主，胶结类型为孔隙式胶结（见图、）。从粒度分布来看，粒级主要为.（见图）。图 热储层中砂岩岩心及铸体薄片分析 ）细砂岩类。细砂岩的碎屑颗粒以石英为主，其次为长石，少许岩屑（见图）。其中，石英呈次棱角状，以单晶为主，少许石英发生破裂。长石以钾长石为主，其次为斜长石，部分长石发生泥化、绢云母化，少许长石沿解理缝破裂，少许长石发生溶蚀。岩屑主要为千枚岩岩屑、糜棱岩岩屑、花岗岩岩屑、凝灰岩岩屑和片岩岩屑等，少许岩屑弯曲变形。云母呈鳞片状，零星分布。填隙物以黏土矿物为主，其次为方解石或不透明矿物，偶见硅质。黏土矿物呈隐晶状，部分黏土矿物包裹碎屑颗粒，或呈薄膜状包裹碎屑颗粒。方解石以亮晶为主，少许方解石交代碎屑颗粒。不透明矿物呈不规则状，零星分布。岩石致密度为中等或疏松，碎屑颗粒主要呈次棱或次棱 次圆状，分选程度中等，接触关系以点或点线接触为主，胶结类型为孔隙式胶结或接触式胶结（见图、）。从粒度分布看，细砂岩粒级主要分布在.（见图）。图 热储层细砂岩岩心及铸体薄片分析 ）粉砂岩类。从颗粒成分来看，粉砂岩中碎屑颗粒以石英为主，少许长石和岩屑（见图）。石英质量分数为 ，长石质量分数为，岩屑质量分数为 ，石英以单晶石英为主，次棱次圆状。长石以钾长石为主，其次为斜长石，少许长石发生溶蚀。岩屑以片岩岩屑、石英岩岩屑等为主。云母呈鳞片状，分散分布。基底主要为黏土矿物，少许不透明矿物。黏土矿物混杂少许铁质，呈褐色。不透明矿物呈不规则状，零星分布。岩石致密度为中等，碎屑颗粒主要呈次棱或次棱次圆状，分选程度差或中等，接触关系以悬浮为主，胶结类型为基底式胶结，即西北大学学报（自然科学版）第 卷碎屑颗粒漂浮在基底中（见图、）。从颗粒的粒度分布看，粒级在.（见图）。图 热储层粉砂岩岩心及铸体薄片分析 填隙物特征 杂基热储岩样的填隙物主要包括杂基和胶结物，其中，杂基的粒级以泥为主，也包括一些细粉砂，其粒度一般小于.。根据粒度分析结果，统计各类热储岩石的杂基含量（见图）可知，在热储岩岩样中，砂砾岩杂基的质量分数很低，小于等于.，中砂岩杂基的质量分数为.，平均为.，细砂岩杂基的质量分数为.，平均为.，粉砂岩杂基的质量分数相对较高，分布在.，平均质量分数达到.。图 热储岩样杂基含量直方图 .黏土矿物.黏土矿物的含量及类型本研究对蓝田灞河组的 块岩石样品进行了 全岩矿物分析和黏土矿物分析，得知其热储层岩石矿物种类多样，矿物成分以硅酸盐矿物为主，包括石英、斜长石、钾长石等，其次为黏土矿物，部分岩样还含有碳酸盐矿物（见图）。从岩性来看，各类热储岩石的黏土矿物质量分数从高到低依次为：粉砂岩 细砂岩 中砂岩 砂砾岩。热储层中的造岩矿物绝大部分属于化学性质比较稳定的类型，如石英、长石，不易与工作液发生物理与化学作用，对热储层没有多大损害。储层敏感性矿物是指储层中与外界流体接触后发生一些物理化学反应，造成储层渗透率下降的一些矿物，主要为填隙物，以填隙物中的黏土矿物为主。图 研究区热储层各类岩石矿物分布图 黏土矿物分析结果见图。从岩性来看，砂砾岩的黏土矿物中伊蒙混层的质量分数最高，其次为伊利石。在中砂岩中，伊利石的质量分数最高，在 ，平均为.；其次为绿泥石，在 ，平均为.。在细砂岩中，伊蒙混层的质量分数最高，在 ，平均为.；其次为伊利石，在 ，平均为；再次为绿泥石，为 ，平均为.。在粉砂岩中，伊利石的质量分数最高，在 ，平均为；其次为伊蒙混层，在，平均为；再次为绿泥石，在，平均为.。在伊蒙混层矿物中，蒙脱石的相对质量分数一般超过。第 期 罗向荣，等：关中地区中深层热储岩石学特征及潜在损害因素分析图 研究区热储层各类岩石黏土矿物分布 .黏土矿物的产状扫描电镜结果显示（见图），黏土矿物广泛分布于热储岩石中，黏土矿物包裹碎屑颗粒或填充在粒间。伊蒙混层多呈丝絮状充填粒间孔隙，伊利石一般呈丝片状或丝缕状，蒙皂石呈丝絮状包裹粒表面并充填粒间孔隙，或呈蜂窝状充填粒间孔隙，绿泥石一般呈叶片状充填粒间孔隙。砂砾岩的孔隙内部充填伊蒙混层等黏土矿物，中砂岩粒间孔隙充填叶片状绿泥石和丝片状伊蒙混层，细砂岩粒间孔隙充填蜂窝状蒙皂石等黏土矿物，这些矿物微粒在所处环境发生变化或外力作用条件下极易发生脱落、运移，堵塞孔喉。注：丝絮状伊蒙混层、蜂窝状蒙皂石充填粒间孔隙；叶片状绿泥石、伊蒙混层和绿蒙混层充填粒间孔隙；丝絮状伊蒙混层和蜂窝状蒙皂石充填粒间孔隙；丝片状伊蒙混层和伊利石图 热储黏土矿物特征 .胶结物及胶结特征胶结致密的岩石矿物微粒及孔隙结构相对稳定，而胶结疏松的岩石矿物微粒和孔隙结构不稳定性增强，容易受到外界影响。从各类热储岩石的胶结特征来看（见图，），砂砾岩属快速堆积而成，胶结程度差，中砂岩以泥质孔隙式胶结为主，泥质胶结物很容易软化，导致岩石易碎，泥质胶结物及其孔隙充填的矿物微粒易在外力作用下发生剥落、运移；细砂岩的胶结类型也为孔隙式胶结，胶结物包括黏土矿物、不透明矿物和硅质。从总体看，砂砾岩和中砂岩胶结疏松，黏土、粉砂等矿物微粒多松散附着在孔壁上，流体的黏滞力和界面力作用能使微粒脱落运移，造成储层损害。细砂岩的胶结程度相对较好，矿物微粒多胶结于西北大学学报（自然科学版）第 卷骨架颗粒上，但当流体产生的水动力很大时，就会超过微粒之间或微粒与基岩之间的胶结强度，原来与基岩胶结良好的微粒就会变得松散易动，它们会随流体运移到孔喉处，或单个颗粒堵塞孔隙，或几个颗粒同时通过孔喉时架桥在孔喉处形成桥堵。图 热储岩样扫描电镜分析 .敏感性矿物与潜在损害因素在热储层岩石中，胶结于骨架的颗粒或松散附着在孔壁上的黏土矿物都为敏感性矿物，在与外界流体接触或所处环境改变时，很容易发生分散、运移，对储层造成损害。同时，热储岩石尤其是砂砾岩和中砂岩，具有胶结疏松的特点，这更加剧了热储岩石中黏土矿物颗粒、粉砂等自身微粒的运移。根据矿物与流体发生反应造成的储层损害方式，将热储层可能存在的敏感性损害分为以下 种。）速敏。速敏即流速敏感性，是在高速流体流动作用下，地层微粒发生脱落、分散或运移，并堵塞喉道。热储岩石中，泥质胶结物和杂基包括伊蒙混层、伊利石等都属于速敏矿物。其中，砂砾岩中，黏土矿物质量分数平均为.，主要为伊蒙混层和伊利石；中砂岩中，黏土矿物质量分数平均为.，伊利石质量分数最高；细砂岩中，黏土矿物质量分数平均为.，伊蒙混层和伊利石质量分数较高。由此可见，各类热储层都