師耀利，呂世瑤，施小榮，楊智，陳鳳，楊鳳祥

（中國石油 新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

注空氣火驅(qū)具有驅(qū)油效率高、成本低、適用范圍廣等優(yōu)點，可作為蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)后的稠油油藏大幅度提高采收率的開發(fā)接替技術(shù)[1-4]。高溫火驅(qū)過程中，儲集層巖礦和流體都會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化[5]。前人對純油樣品氧化過程研究較多[6-8]，而缺乏對含油巖樣的實驗研究，未明確巖礦和流體熱活化條件、熱活化機理及其對儲集層特征的影響。本文對含油巖樣進行熱處理，并結(jié)合火燒前后礦場取心井資料，系統(tǒng)分析了火燒溫度對原油、巖礦、儲集層的影響，細(xì)分巖礦演化、原油氧化過程，認(rèn)識其階段性變化特征，為油藏火驅(qū)生產(chǎn)火線跟蹤提供依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)為克拉瑪依油田H區(qū)塊，初期由3個反九點注采井組組成，生產(chǎn)4 a后轉(zhuǎn)為13個線性正交注采單元，構(gòu)造高部位部署1排生產(chǎn)井，低部位部署2排生產(chǎn)井。試驗區(qū)含油面積0.24 km2，地質(zhì)儲量為42.5×104t.火驅(qū)試驗前采用注蒸汽開發(fā)，階段采出程度為28.9%，綜合含水率為92%.于2009年12月開始點火注氣，經(jīng)過7 a干式燃燒火驅(qū)生產(chǎn)，累計產(chǎn)油量為11.9×104t，階段采出程度為28.0%，采收率達(dá)56.9%，綜合含水率降為65%.溫度監(jiān)測及化驗數(shù)據(jù)表明，火驅(qū)過程中地下發(fā)生了550℃以上的高溫燃燒[9]，原油和巖礦性質(zhì)變化明顯。為研究火驅(qū)過程中不同溫度區(qū)間的油巖演化特征，開展了定量評價實驗。

2 實驗內(nèi)容及方法

選取克拉瑪依油田H區(qū)塊含油巖樣、稠油樣品開展實驗，樣品質(zhì)量分別為33.0 mg和15.0 mg，洗油后油砂質(zhì)量為29.7 mg.巖樣主要礦物成分為石英（50%）、長石（20%）、云母（10%）、高嶺石（15%）、伊利石（4%）等。30℃原油黏度為8 000 mPa·s，密度為0.93 g/cm3.

首先開展同步熱分析實驗，研究樣品失重和熱效應(yīng)情況。含油巖樣、洗油后巖樣進行熱重-差熱分析實驗，原油樣品進行熱重-差示掃描量熱實驗。熱分析和差示掃描量熱實驗的原理基本相同，都是測定升、降溫過程中樣品的熱效應(yīng)，但是兩者記錄的信息并不一樣，前者記錄的是溫差（或等效同步電信號），后者記錄的是熱量差。熱分析實驗在常壓空氣流環(huán)境下進行，空氣流量為30 mL/min，溫度為30～1 000℃，升溫速度為10℃/min.

然后將含油巖樣置于特定溫度的馬弗爐（空氣環(huán)境）中煅燒，得到高溫變質(zhì)后的樣品。而后通過X射線粉晶衍射分析（XRD）、背散射電子成像（BSE）、掃描電鏡（SEM），鑄體薄片鑒定，研究不同溫度煅燒后巖樣的礦物演化、微形貌結(jié)構(gòu)、儲集層孔隙結(jié)構(gòu)等。

3 高溫階段油巖演化特征

圖1 含油巖樣、洗油后巖樣和原油樣品熱分析

根據(jù)熱分析實驗（圖1），在各個溫度區(qū)間，含油巖樣、洗油后巖樣和原油3類樣品的剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)損失速率、放熱量（或等效同步電信號）曲線總體上形態(tài)相似，數(shù)值具有差異性。含油巖樣和原油樣品均出現(xiàn)2～3個質(zhì)量百分?jǐn)?shù)損失速率和強放熱峰值。

依據(jù)樣品的熱分析曲線特征，結(jié)合X射線衍射、背散射電子成像測量結(jié)果，將火驅(qū)儲集層物理化學(xué)變化分為以下5個階段。

3.1 地層預(yù)熱階段

溫度為30～150℃，含油巖樣、洗油后巖樣、原油樣品的質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)分別為1.09%，1.30%和3.29%（圖1a，圖1b），質(zhì)量損失不明顯，主要由于地層孔隙原生沉積水、礦物吸附水的蒸發(fā)逸散造成。巖樣差熱分析實驗測量值曲線呈下凹特征且值為負(fù)（圖1e，該曲線受當(dāng)時實驗條件制約，未將測量的電信號值轉(zhuǎn)換為熱量值，但反映熱量變化），具吸熱效應(yīng)，此階段起到預(yù)熱地層、強化注采井熱連通的作用。

3.2 原油低溫氧化階段

溫度為150～350℃時，原油剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)開始大幅度下降，質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)為27.58%，而放熱量較小。主要因為在原油活化階段占主導(dǎo)地位的是長鏈烴（碳原子數(shù)大于16）的裂解和短鏈烴（碳原子數(shù)小于12）的蒸餾，裂解和蒸餾放熱量小[10-11]。研究表明，150℃為原油氧化反應(yīng)啟動溫度，當(dāng)溫度達(dá)到220℃時，部分原油發(fā)生低溫氧化，生成酸、醛、酮、醇和過氧化物等產(chǎn)物[12]，易分解放出熱量，放熱量緩慢上升；當(dāng)溫度至300℃時，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)損失速率曲線變緩，放熱量逐漸回落，主要是由于部分長鏈烴縮合加快，逐漸生產(chǎn)焦炭，生成的焦炭可為后續(xù)反應(yīng)提供燃料，為焦炭首次沉積。

3.3 原油中溫氧化和黏土分解階段

溫度為350～430℃時，主要發(fā)生原油的中溫氧化反應(yīng)，反應(yīng)物為碳原子數(shù)為17～24的組分[13]。該階段原油剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)快速降低，質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)為35.39%（圖1b），出現(xiàn)了第1個顯著的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)損失速率峰（圖1d），差示掃描量熱曲線上交替出現(xiàn)了多個放熱峰（圖1f），與不同組分的氧化性能差異有關(guān)，最大放熱峰值為9.4 mW/mg.該階段發(fā)生焦炭的第二次沉積，沉積量大于第一次沉積。焦炭第二次沉積主要是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組分經(jīng)過氧化縮合形成[14]。

溫度大于350℃時，黏土礦物開始發(fā)生燒結(jié)作用，該作用包括脫水、脫羥基分解、重結(jié)晶以及體積收縮等一系列變化[15-16]。此階段主要發(fā)生高嶺石脫羥基分解，溫度大于350℃時，高嶺石衍射峰（d值為7.178 4）明顯消失（圖2），從有序結(jié)構(gòu)的Al2O3·2SiO2·2H2O轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)的Al2O3·2SiO2非晶質(zhì)，或轉(zhuǎn)化為其他黏土礦物。由于樣品中伊利石、蒙脫石含量少，其衍射峰變化不明顯。

圖2 不同溫度下巖樣火燒后的X射線衍射譜

3.4 原油高溫氧化和黏土燒結(jié)階段

從450℃開始，原油進入高溫氧化階段，主要是前期產(chǎn)生的焦炭和碳原子數(shù)大于24的原油組分發(fā)生高溫氧化。與中溫氧化階段不同，在原油高溫氧化階段，較少的物質(zhì)反應(yīng)即可產(chǎn)生較大的熱量。此階段原油質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)達(dá)33.74%，最大質(zhì)量百分?jǐn)?shù)損失速率為4.66%/min，均小于中溫氧化階段；但放熱量是中溫氧化階段的1.5～2.0倍，差示掃描量熱曲線最大放熱峰值為12.6 mW/mg（圖1b，圖1d，圖1f）。溫度達(dá)到550 ℃左右，原油和空氣氧化反應(yīng)基本結(jié)束。巖樣中只殘留與氧氣無法直接接觸的原油，殘余油飽和度為0～7%.

圖3 烏蘇四棵樹剖面八道灣組砂礫巖火燒前后特征a—碎屑礦物火燒前形貌特征；b—碎屑礦物經(jīng)550℃火燒后形貌特征；c—粒間填隙物火燒前形貌特征；d—粒間填隙物經(jīng)450℃火燒后形貌特征；e—粒間填隙物火燒前形貌特征；f—粒間填隙物經(jīng)550℃火燒后形貌特征（圖中紅色及綠色點為探針位置）

火燒前后，長石、石英等顆粒表面形貌無明顯變化（圖3a，圖3b），而黏土礦物則開始發(fā)生比較明顯的燒結(jié)作用，以黏土礦物為主的粒間填隙物開始發(fā)生不同程度的體積收縮，顆粒和填隙物之間產(chǎn)生裂縫（圖3c，圖3d），尤其經(jīng)550℃高溫火燒后，裂縫明顯加寬（圖3e，圖3f）。

經(jīng)黏土燒結(jié)作用后，儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)也會發(fā)生較大變化，主要為孔隙喉道增大（圖4）。經(jīng)鑄體薄片鑒定分析，火燒后巖樣平均喉道半徑從5.0 μm增至25.9 μm，平均孔隙直徑從86 μm增至112 μm，面孔率從3.5%增至4.9%.

圖4 火燒前后巖樣孔隙結(jié)構(gòu)變化

圖5 不同巖性樣品火燒前后滲透率對比

受儲集層孔隙結(jié)構(gòu)變化的影響，含礫粗砂巖和砂質(zhì)礫巖等優(yōu)勢巖相火燒后滲透率增大10倍左右。對火燒前后的取心巖樣進行化驗分析，結(jié)果如圖5所示，火燒后含礫粗砂巖樣品滲透率由599.0～1 270.0 mD增大至2 610.0～36 600.0 mD，砂質(zhì)礫巖樣品滲透率由360.0～626.0 mD增大至812.0～4 915.0 mD，但是兩種樣品火燒后孔隙度變化幅度不明顯。對于泥質(zhì)含量較高的泥質(zhì)礫巖，火燒對孔隙度和滲透率提高作用微小，火燒前滲透率為92.3～325.0 mD，火燒后滲透率為59.4～428.0 mD.

3.5 非黏土礦物深度變質(zhì)階段

溫度大于550℃時，主要發(fā)生非黏土礦物深度變質(zhì)作用，包括長石溶蝕及顆粒破碎、黃鐵礦氧化等。長石顆粒多被溶蝕形成粒內(nèi)溶孔（圖6a），溶蝕較強烈的可見鑄膜孔但仍保留顆粒外形，部分長石顆粒出現(xiàn)破碎（圖6b）。長石溶蝕后生成黏土礦物，以高嶺石為主（圖6c）。此外，原生黃鐵礦（圖6d）在高溫氧化環(huán)境下形成褐鐵礦（圖6e），褐鐵礦是高溫氧化條件下極為普遍的次生礦物，通常呈紅褐色或黃褐色。在火燒后的巖樣中還發(fā)現(xiàn)了鈦鐵礦（圖6f），在含有赤鐵礦包體的情況下，呈褐色或褐紅色。由于褐鐵礦和鈦鐵礦存在，火燒后巖心整體變?yōu)榧t褐色。

圖6 550℃以上溫度火燒后巖樣非黏土礦物特征

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)原油氧化反應(yīng)激活溫度為150℃，高溫燃燒門檻溫度為450℃，巖礦熱活化啟動溫度為350℃；溫度大于550℃時，黃鐵礦氧化為褐鐵礦，使巖樣呈紅褐色。

（2）巖礦演化與原油氧化歷程分為5個階段，包括地層預(yù)熱、原油低溫氧化、原油中溫氧化和黏土分解、原油高溫氧化和黏土燒結(jié)、非黏土礦物深度變質(zhì)。其中原油高溫氧化和黏土燒結(jié)階段是整個變化過程的激烈期，原油燃燒放熱量占總放熱量的60%，黏土礦物開始發(fā)生比較明顯的燒結(jié)作用，使儲集層巖石顆粒和填隙物間裂縫加寬。

（3）在高溫氧化條件下，儲集層黏土礦物燒結(jié)和原油氧化明顯。在兩種效應(yīng)的綜合影響下，可能會導(dǎo)致儲集層巖石物理性質(zhì)（如磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、放射性參量、密度等）發(fā)生變化，這些變化使火燒前后測井曲線（電阻率、自然電位等）出現(xiàn)明顯差異，這種差異性對火線位置監(jiān)測和火驅(qū)縱向波及程度判斷提供了新的思路，后期會加強這方面研究工作。