火驱油藏岩矿与原油演化特征

师耀利，吕世瑶，施小荣，杨智，陈凤，杨凤祥

（中国石油 新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000）

注空气火驱具有驱油效率高、成本低、适用范围广等优点，可作为蒸汽吞吐、蒸汽驱后的稠油油藏大幅度提高采收率的开发接替技术[1-4]。高温火驱过程中，储集层岩矿和流体都会发生复杂的物理化学变化[5]。前人对纯油样品氧化过程研究较多[6-8]，而缺乏对含油岩样的实验研究，未明确岩矿和流体热活化条件、热活化机理及其对储集层特征的影响。本文对含油岩样进行热处理，并结合火烧前后矿场取心井资料，系统分析了火烧温度对原油、岩矿、储集层的影响，细分岩矿演化、原油氧化过程，认识其阶段性变化特征，为油藏火驱生产火线跟踪提供依据。

1 试验区概况

试验区为克拉玛依油田H区块，初期由3个反九点注采井组组成，生产4 a后转为13个线性正交注采单元，构造高部位部署1排生产井，低部位部署2排生产井。试验区含油面积0.24 km2，地质储量为42.5×104t.火驱试验前采用注蒸汽开发，阶段采出程度为28.9%，综合含水率为92%.于2009年12月开始点火注气，经过7 a干式燃烧火驱生产，累计产油量为11.9×104t，阶段采出程度为28.0%，采收率达56.9%，综合含水率降为65%.温度监测及化验数据表明，火驱过程中地下发生了550℃以上的高温燃烧[9]，原油和岩矿性质变化明显。为研究火驱过程中不同温度区间的油岩演化特征，开展了定量评价实验。

2 实验内容及方法

选取克拉玛依油田H区块含油岩样、稠油样品开展实验，样品质量分别为33.0 mg和15.0 mg，洗油后油砂质量为29.7 mg.岩样主要矿物成分为石英（50%）、长石（20%）、云母（10%）、高岭石（15%）、伊利石（4%）等。30℃原油黏度为8 000 mPa·s，密度为0.93 g/cm3.

首先开展同步热分析实验，研究样品失重和热效应情况。含油岩样、洗油后岩样进行热重-差热分析实验，原油样品进行热重-差示扫描量热实验。热分析和差示扫描量热实验的原理基本相同，都是测定升、降温过程中样品的热效应，但是两者记录的信息并不一样，前者记录的是温差（或等效同步电信号），后者记录的是热量差。热分析实验在常压空气流环境下进行，空气流量为30 mL/min，温度为30～1 000℃，升温速度为10℃/min.

然后将含油岩样置于特定温度的马弗炉（空气环境）中煅烧，得到高温变质后的样品。而后通过X射线粉晶衍射分析（XRD）、背散射电子成像（BSE）、扫描电镜（SEM），铸体薄片鉴定，研究不同温度煅烧后岩样的矿物演化、微形貌结构、储集层孔隙结构等。

3 高温阶段油岩演化特征

图1 含油岩样、洗油后岩样和原油样品热分析

根据热分析实验（图1），在各个温度区间，含油岩样、洗油后岩样和原油3类样品的剩余质量百分数、质量百分数损失速率、放热量（或等效同步电信号）曲线总体上形态相似，数值具有差异性。含油岩样和原油样品均出现2～3个质量百分数损失速率和强放热峰值。

依据样品的热分析曲线特征，结合X射线衍射、背散射电子成像测量结果，将火驱储集层物理化学变化分为以下5个阶段。

3.1 地层预热阶段

温度为30～150℃，含油岩样、洗油后岩样、原油样品的质量损失百分数分别为1.09%，1.30%和3.29%（图1a，图1b），质量损失不明显，主要由于地层孔隙原生沉积水、矿物吸附水的蒸发逸散造成。岩样差热分析实验测量值曲线呈下凹特征且值为负（图1e，该曲线受当时实验条件制约，未将测量的电信号值转换为热量值，但反映热量变化），具吸热效应，此阶段起到预热地层、强化注采井热连通的作用。

3.2 原油低温氧化阶段

温度为150～350℃时，原油剩余质量百分数开始大幅度下降，质量损失百分数为27.58%，而放热量较小。主要因为在原油活化阶段占主导地位的是长链烃（碳原子数大于16）的裂解和短链烃（碳原子数小于12）的蒸馏，裂解和蒸馏放热量小[10-11]。研究表明，150℃为原油氧化反应启动温度，当温度达到220℃时，部分原油发生低温氧化，生成酸、醛、酮、醇和过氧化物等产物[12]，易分解放出热量，放热量缓慢上升；当温度至300℃时，质量百分数损失速率曲线变缓，放热量逐渐回落，主要是由于部分长链烃缩合加快，逐渐生产焦炭，生成的焦炭可为后续反应提供燃料，为焦炭首次沉积。

3.3 原油中温氧化和黏土分解阶段

温度为350～430℃时，主要发生原油的中温氧化反应，反应物为碳原子数为17～24的组分[13]。该阶段原油剩余质量百分数快速降低，质量损失百分数为35.39%（图1b），出现了第1个显著的质量百分数损失速率峰（图1d），差示扫描量热曲线上交替出现了多个放热峰（图1f），与不同组分的氧化性能差异有关，最大放热峰值为9.4 mW/mg.该阶段发生焦炭的第二次沉积，沉积量大于第一次沉积。焦炭第二次沉积主要是胶质、沥青质等重组分经过氧化缩合形成[14]。

温度大于350℃时，黏土矿物开始发生烧结作用，该作用包括脱水、脱羟基分解、重结晶以及体积收缩等一系列变化[15-16]。此阶段主要发生高岭石脱羟基分解，温度大于350℃时，高岭石衍射峰（d值为7.178 4）明显消失（图2），从有序结构的Al2O3·2SiO2·2H2O转变为无序结构的Al2O3·2SiO2非晶质，或转化为其他黏土矿物。由于样品中伊利石、蒙脱石含量少，其衍射峰变化不明显。

图2 不同温度下岩样火烧后的X射线衍射谱

3.4 原油高温氧化和黏土烧结阶段

从450℃开始，原油进入高温氧化阶段，主要是前期产生的焦炭和碳原子数大于24的原油组分发生高温氧化。与中温氧化阶段不同，在原油高温氧化阶段，较少的物质反应即可产生较大的热量。此阶段原油质量损失百分数达33.74%，最大质量百分数损失速率为4.66%/min，均小于中温氧化阶段；但放热量是中温氧化阶段的1.5～2.0倍，差示扫描量热曲线最大放热峰值为12.6 mW/mg（图1b，图1d，图1f）。温度达到550 ℃左右，原油和空气氧化反应基本结束。岩样中只残留与氧气无法直接接触的原油，残余油饱和度为0～7%.

图3 乌苏四棵树剖面八道湾组砂砾岩火烧前后特征a—碎屑矿物火烧前形貌特征；b—碎屑矿物经550℃火烧后形貌特征；c—粒间填隙物火烧前形貌特征；d—粒间填隙物经450℃火烧后形貌特征；e—粒间填隙物火烧前形貌特征；f—粒间填隙物经550℃火烧后形貌特征（图中红色及绿色点为探针位置）

火烧前后，长石、石英等颗粒表面形貌无明显变化（图3a，图3b），而黏土矿物则开始发生比较明显的烧结作用，以黏土矿物为主的粒间填隙物开始发生不同程度的体积收缩，颗粒和填隙物之间产生裂缝（图3c，图3d），尤其经550℃高温火烧后，裂缝明显加宽（图3e，图3f）。

经黏土烧结作用后，储集层的孔隙结构也会发生较大变化，主要为孔隙喉道增大（图4）。经铸体薄片鉴定分析，火烧后岩样平均喉道半径从5.0 μm增至25.9 μm，平均孔隙直径从86 μm增至112 μm，面孔率从3.5%增至4.9%.

图4 火烧前后岩样孔隙结构变化

图5 不同岩性样品火烧前后渗透率对比

受储集层孔隙结构变化的影响，含砾粗砂岩和砂质砾岩等优势岩相火烧后渗透率增大10倍左右。对火烧前后的取心岩样进行化验分析，结果如图5所示，火烧后含砾粗砂岩样品渗透率由599.0～1 270.0 mD增大至2 610.0～36 600.0 mD，砂质砾岩样品渗透率由360.0～626.0 mD增大至812.0～4 915.0 mD，但是两种样品火烧后孔隙度变化幅度不明显。对于泥质含量较高的泥质砾岩，火烧对孔隙度和渗透率提高作用微小，火烧前渗透率为92.3～325.0 mD，火烧后渗透率为59.4～428.0 mD.

3.5 非黏土矿物深度变质阶段

温度大于550℃时，主要发生非黏土矿物深度变质作用，包括长石溶蚀及颗粒破碎、黄铁矿氧化等。长石颗粒多被溶蚀形成粒内溶孔（图6a），溶蚀较强烈的可见铸膜孔但仍保留颗粒外形，部分长石颗粒出现破碎（图6b）。长石溶蚀后生成黏土矿物，以高岭石为主（图6c）。此外，原生黄铁矿（图6d）在高温氧化环境下形成褐铁矿（图6e），褐铁矿是高温氧化条件下极为普遍的次生矿物，通常呈红褐色或黄褐色。在火烧后的岩样中还发现了钛铁矿（图6f），在含有赤铁矿包体的情况下，呈褐色或褐红色。由于褐铁矿和钛铁矿存在，火烧后岩心整体变为红褐色。

图6 550℃以上温度火烧后岩样非黏土矿物特征

4 结论

（1）研究区原油氧化反应激活温度为150℃，高温燃烧门槛温度为450℃，岩矿热活化启动温度为350℃；温度大于550℃时，黄铁矿氧化为褐铁矿，使岩样呈红褐色。

（2）岩矿演化与原油氧化历程分为5个阶段，包括地层预热、原油低温氧化、原油中温氧化和黏土分解、原油高温氧化和黏土烧结、非黏土矿物深度变质。其中原油高温氧化和黏土烧结阶段是整个变化过程的激烈期，原油燃烧放热量占总放热量的60%，黏土矿物开始发生比较明显的烧结作用，使储集层岩石颗粒和填隙物间裂缝加宽。

（3）在高温氧化条件下，储集层黏土矿物烧结和原油氧化明显。在两种效应的综合影响下，可能会导致储集层岩石物理性质（如磁导率、电导率、热导率、放射性参量、密度等）发生变化，这些变化使火烧前后测井曲线（电阻率、自然电位等）出现明显差异，这种差异性对火线位置监测和火驱纵向波及程度判断提供了新的思路，后期会加强这方面研究工作。