稠油油藏火驅(qū)取心井高溫氧化區(qū)帶識別方法

劉其成，閆紅星，楊俊印，程海清，董曉東

(1.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；2.國家能源稠(重)油開采研發(fā)中心，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

火驅(qū)又稱火燒油層，其基本原理是通過注氣井將空氣注入油藏，利用點火器在地下引燃原油，原油中的重質(zhì)組分發(fā)生裂解反應(yīng)生成輕質(zhì)組分，在高溫環(huán)境下與燃燒生成的氣體共同作用驅(qū)動原油至生產(chǎn)井采出[1]。該技術(shù)具有適用范圍廣、運行成本低、采出程度高等優(yōu)點，目前已在羅馬尼亞、加拿大、美國、印度、中國等國家進行了工業(yè)化應(yīng)用與試驗[2-3]?；痱?qū)燃燒狀態(tài)的準確判識已成為火驅(qū)開發(fā)的技術(shù)難點之一，高溫氧化燃燒是評價火驅(qū)開發(fā)效果的重要依據(jù)。目前，對火驅(qū)燃燒狀態(tài)的判識方法主要有產(chǎn)量預(yù)測、數(shù)值模擬、伴生氣組分以及示蹤劑等方法。劉應(yīng)忠等[4]、金兆勛[5]在高3-6-18塊動態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計等方法，對產(chǎn)量、溫度、壓力以及氣體成分等進行跟蹤評價，判斷該區(qū)塊燃燒模式為高溫氧化。張方禮等[6]運用氣相色譜分析技術(shù)對比了稠油火驅(qū)前后的色譜指紋特征，認為該方法是識別火驅(qū)燃燒狀態(tài)的有效手段。孫洪軍等[7]采用杜66塊原油開展室內(nèi)物理模擬實驗，認為二氧化碳含量與火驅(qū)燃燒狀態(tài)呈良好的對應(yīng)關(guān)系，二氧化碳含量超過15%時可認為是高溫氧化。袁士寶等[8]采用示蹤劑方法建立了判斷多井組火驅(qū)燃燒前緣位置的方法。對火驅(qū)取心井的分析研究是獲取稠油油藏火驅(qū)開發(fā)過程中礦物組成、原油性質(zhì)、物性等參數(shù)最系統(tǒng)的方式，是反映地下燃燒狀態(tài)最直接的證據(jù)，但目前該方面研究鮮有報道。楊智等[9]通過研究紅淺1井區(qū)取心井的族組分、熱解以及巖礦轉(zhuǎn)化特征，初步分析了各區(qū)帶高溫氧化特征，但該方法系統(tǒng)性不足，缺乏對巖心中原油與儲層礦物的精細研究。因此，利用氣相色譜儀、紅外光譜儀、有機元素儀、X衍射儀、環(huán)境掃描電鏡對原油組分特征儲層礦物特征等開展系統(tǒng)分析，形成了火驅(qū)取心井高溫氧化區(qū)帶多參數(shù)綜合判識方法，為科學準確認識高溫氧化區(qū)帶提供了更為可靠的依據(jù)。

1 實驗方法

曙1-46-K037井為遼河油田杜66塊火驅(qū)區(qū)塊的取心井，取心深度為950～1 000 m。為了認識火驅(qū)開發(fā)過程中取心井高溫氧化區(qū)帶中原油與儲層變化特征，對選取的巖心樣品開展相關(guān)實驗分析。具體實驗流程為：首先對巖心樣品開展宏觀特征的巖心描述；然后采用三氯甲烷有機溶劑，利用索氏抽提法獲取巖心中原油樣品，采用棒狀薄層色譜分析儀開展原油中飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)相對含量的分析，利用氣相色譜儀對原油開展色譜分析并得到有關(guān)譜圖形態(tài)、主峰碳、輕重比等參數(shù)，采用傅里葉變換紅外光譜儀得到波長為400～4 000 cm-1的紅外光譜圖，利用有機元素儀得到碳、氫、氧元素的含量；經(jīng)甲苯洗油后烘干的巖心樣品一方面開展X衍射測試，得到黏土礦物、碳酸鹽礦物方面的信息，另一方面利用掃描電鏡開展巖心微觀形貌方面的研究，從微觀角度觀察孔隙類型及礦物變化特征。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 巖心描述

2.1.1 巖心宏觀描述

肉眼觀察巖心是正確認識巖心的基礎(chǔ)方法，對于認識巖心的巖性、礦物成分、含油性等具有重要意義。通常巖心在火驅(qū)高溫氧化后具有含油性降低、砂體疏松的特征，并且儲層礦物在高溫作用下會造成巖心顏色發(fā)生變化。圖1為取心井巖心照片。由圖1可知：在較淺部位(965 m)附近和較深部位(989 m)附近巖心砂體呈深褐色—黑色，砂體疏松并具有一定的黏性，為遼河油田稠油油藏巖心的典型特征；而在深度為978 m附近顏色較淺，呈現(xiàn)暗褐色，砂體松散無黏性，并且在儲層夾雜的泥質(zhì)中發(fā)現(xiàn)明顯的收縮縫，為火驅(qū)高溫氧化后的痕跡。據(jù)此初步判斷978 m附近為高溫氧化層段。

2.1.2 巖心微觀特征

利用掃描電子顯微鏡可以準確描述儲層中的礦物組成與形貌特征(圖2)。由圖2可知：深度為957 m處未發(fā)生高溫氧化的淺層部位，巖心孔隙發(fā)育差，孔隙類型以粒間殘余孔縫為主，發(fā)育粒間菱面體碳酸鹽、蒙皂石黏土等填隙物；深度為985 m處未發(fā)生高溫氧化的深層部位，孔隙發(fā)育，孔隙類型有粒間孔、顆粒裂縫等，粒間、粒表存在蒙皂石黏土、球粒狀黃鐵礦、菱面體碳酸鹽；深度為977 m處發(fā)生高溫氧化的部位，巖心孔隙發(fā)育，孔隙類型以粒間孔為主，粒間見高嶺石黏土填隙物及殘余孔隙，長石見加大現(xiàn)象。

圖2 儲層礦物掃描電鏡

2.2 原油特征

2.2.1 原油族組分特征

原油族組分特征是反映原油化學組成的最基礎(chǔ)指標之一，可以反映火驅(qū)開發(fā)過程中原油的改質(zhì)特征。圖3為族組分隨深度的變化曲線。由圖3可知，970～985 m范圍內(nèi)的原油與相鄰層段原油相比，具有較高的飽和烴與芳烴含量(41.57%，為質(zhì)量分數(shù)，下同)、較低的非烴和瀝青質(zhì)含量(58.43%)，表明稠油在火驅(qū)高溫氧化過程中發(fā)生了非烴與瀝青質(zhì)向飽和烴與芳烴的轉(zhuǎn)化。這是因為原油的非烴與瀝青質(zhì)組分中含有氧、氮、硫等雜原子大分子烴類化合物，在火驅(qū)高溫作用下更容易發(fā)生鍵裂反應(yīng)，生成正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴以及帶有苯環(huán)的芳烴化合物。

圖3 族組分隨深度變化曲線

2.2.2 原油飽和烴色譜特征

采用氣相色譜分析技術(shù)對原油飽和烴色譜特征開展分析(圖4)。由圖4可知：深度為966 m處的原油飽和烴氣相色譜圖中主峰碳較大(nC23)，碳數(shù)分布范圍較窄(nC13—nC27)，正構(gòu)烷烴含量很低，僅保留少部分的異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴，高碳數(shù)部分含有異常豐富的甾萜類化合物，并且由于該類化合物在氣相色譜中難分離，導(dǎo)致基線隆起嚴重，形成大包絡(luò)(UCM)[10]，這是由于稠油在地質(zhì)演化過程中遭受生物降解作用造成的；類異戊二烯烴中的姥鮫烷(Pr)與植烷(Ph)含量明顯高于相鄰的飽和烴(nC17與nC18)，并且姥鮫烷含量高于植烷，姥植比為2.94。深度為984 m處的原油與965 m處的原油飽和烴色譜特征相似。深度為978 m處的原油飽和烴色譜特征則明顯不同，飽和烴氣相色譜圖呈明顯的單峰型分布，碳數(shù)分布范圍不變，但主峰碳前移(nC17)，正構(gòu)烷烴明顯占優(yōu)勢，類異戊二烯烴中的姥鮫烷(Pr)與植烷(Ph)含量與相鄰的飽和烴(nC17、nC18)含量逐漸接近。

圖4 飽和烴氣相色譜

原油輕重比(∑nC21-/∑nC22+)是低碳數(shù)正構(gòu)烷烴總含量與高碳數(shù)正構(gòu)烷烴總含量的比值，可反映熱演化程度和母質(zhì)來源，一般熱演化程度越高母質(zhì)來源越好，輕重比值越高原油品質(zhì)越好[11-12]。此外，由于Pr與Ph的熱穩(wěn)定性要好于相鄰的正構(gòu)烷烴(nC17、nC18)，也可以采用Pr/nC17、Ph/nC18表征受火驅(qū)高溫作用的原油特征。由統(tǒng)計的飽和烴參數(shù)(表1)可知：深度為978m處發(fā)生火驅(qū)高溫氧化的原油輕重比值(3.88)明顯高于965、984 m處的原油的輕重比(分別為1.00和0.92)。這是因為稠油在火驅(qū)高溫氧化過程中，長鏈烷烴或大分子化合物發(fā)生鍵裂反應(yīng)生成了分子質(zhì)量較小的低碳數(shù)烷烴。由于正構(gòu)烷烴含量增加，深度為978 m處原油的Pr/nC17和Ph/nC18明顯低于965、984 m處的原油的Pr/nC17和Ph/nC18。

表1 飽和烴參數(shù)

2.2.3 原油官能團與有機元素特征

紅外光譜是由分子振動和轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的對特定頻率的紅外光吸收而形成的吸收譜圖，不同頻率、不同強度的紅外光譜峰可以反映官能團特征。在原油的紅外光譜中，波數(shù)為1 700 cm-1代表酯、酮、酸醇中羰基的伸縮振動吸收峰，波數(shù)為1 600 cm-1代表芳香烴中碳碳鍵骨架的伸縮振動吸收峰，一般以波數(shù)為1 700 cm-1與1 600 cm-1的比值(A1700/A1600)作為含氧度的參數(shù)，可以反映含氧官能團的變化情況[13](圖5a)。由圖5a可知，深度為960～970 m處A1700/A1600較小(0.69～0.80)，在深度為975 m達到最大值0.84，之后隨著深度的增加該比值逐漸減小(0.65～0.71)。該結(jié)果表明深度為975 m處原油發(fā)生了高溫氧化，生成帶有羰基的含氧官能團，導(dǎo)致該處A1700/A1600升高。

元素組成是原油的基本性質(zhì)之一，組成原油的元素主要為碳、氫，其次是氧、硫、氮。原油中的元素絕大多數(shù)以有機化合物的形式存在，并且原油重組分占比越大所含的高分子烴類化合物就越多，隨著分子量的增加，碳元素含量升高、氫元素含量降低。因此，可利用H/C原子比的變化來表征原油化學性質(zhì)的變化(圖5b)。由圖5b可知，深度為973 m處原油的H/C原子比最高，達到了1.70。這是因為深度為973 m附近原油在火驅(qū)高溫作用下發(fā)生了碳碳鍵的鍵裂反應(yīng)，非烴、瀝青質(zhì)等大分子化合物發(fā)生斷裂生成了飽和烴、芳烴等分子量相對較小的烴類化合物，隨著碳鏈長度的減小，原油輕組分占比增大，導(dǎo)致H/C原子比增加。

2.3 儲層礦物特征

2.3.1 儲層黏土礦物特征

圖6為儲層中黏土礦物含量隨深度變化曲線。由圖6可知：深度為970～980 m處為火驅(qū)高溫氧化區(qū)間，高嶺石、伊利石、綠泥石相對含量較高，分別為5.0%～9.0%、3.0%～6.0%、2.0%～5.0%；伊蒙混層相對含量較低，含量為81.0%～91.0%(圖6)。

圖5 含氧官能團與H/C原子比隨深度變化

圖6 黏土礦物隨深度變化曲線

高嶺石和伊利石在火驅(qū)高溫氧化條件下的變化可用鉀長石與黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律解釋。在有空氣存在的高溫氧化過程，火驅(qū)生成的CO2會使鉀長石發(fā)生碳酸鹽化，生成高嶺石和伊利石，并導(dǎo)致石英含量的增加[14-25]。

綠泥石在高溫氧化區(qū)帶含量的增加與其成因密切相關(guān)，綠泥石主要由富含鐵、鎂的硅酸鹽礦物經(jīng)熱液交代蝕變而形成，常用于了解成礦作用過程和熱液的變化，是一種重要的找礦標志，在稠油火驅(qū)過程中，綠泥石在高溫氧化區(qū)帶含量的增加與碎屑成分密切相關(guān)，巖層中富含鐵、鎂的基性巖屑經(jīng)高溫熱液交代蝕變，部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫G泥石，導(dǎo)致綠泥石含量增加。因此，綠泥石可作為火驅(qū)高溫氧化的標志。

伊蒙混層在高溫氧化區(qū)帶含量降低，其原因為：長石(鉀長石)在高溫氧化過程中，除了轉(zhuǎn)化為黏土礦物外，還存在蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的過程，具體為蒙脫石中一部分層間水脫出，造成層間塌陷，導(dǎo)致晶格重新排列和堿性陽離子吸附，形成伊蒙混層，進而轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?/p>

2.3.2 儲層碳酸鹽礦物特征

取心井碳酸鹽礦物含量隨深度變化如圖7所示。由圖7可知，在深度為965～985 m處白云石、方解石和菱鐵礦含量明顯低于其他層段，分別為0.9%～1.2%、0.9%～2.0%、0.6%～1.0%。分析原因為：白云石主要是由CaCO3和MgCO3(二者占比大致為1∶1)組成的礦物，受熱分解為CaO、MgO和CO2；方解石的化學成分主要是碳酸鈣，受熱生成CO2和CaO；FeCO3是菱鐵礦的主要成分，其在200 ℃開始分解為FeO和CO2，若在有氧條件下受高溫作用二價鐵會被氧化成三價鐵，生成Fe2O3。在火驅(qū)高溫氧化過程中，儲層的碳酸鹽礦物受熱分解，在縱向上形成了低碳酸鹽礦物含量的高溫氧化區(qū)帶。

圖7 碳酸鹽礦物含量隨深度變化曲線

3 高溫氧化區(qū)帶識別

通過對火驅(qū)取心井中原油與儲層礦物特征的綜合分析，采用定量化參數(shù)建立了火驅(qū)取心井高溫氧化區(qū)帶的判識模板(圖8)，其中，紅色表示高溫氧化程度高，黃色表示高溫氧化程度低。綜合分析認為，該取心井970～980 m處為高溫氧化區(qū)帶。

由圖8可知，無論采用原油或儲層礦物作為取

圖8 高溫氧化層帶綜合判識圖版

心井高溫氧化區(qū)帶的判識指標，選取參數(shù)的不同會導(dǎo)致高溫氧化區(qū)帶判識的上下波動，這主要是受取心井中原油與儲層礦物對火驅(qū)高溫氧化敏感性差異以及重力作用的影響。具體表現(xiàn)為：①原油是稠油油藏火驅(qū)開發(fā)過程中的燃料，在含氧、高溫、高壓的條件下會伴隨鍵裂反應(yīng)、加氧反應(yīng)等一系列復(fù)雜的物理與化學變化，進而表現(xiàn)為原油宏觀物理特征與微觀組分的變化；②儲層中的各種礦物在火驅(qū)過程中并不會直接參與到燃燒過程中，而是在高溫條件下發(fā)生礦物的相互轉(zhuǎn)化或形態(tài)的改變，如碳酸鹽分解、長石加大等；③原油與儲層礦物受熱發(fā)生變化的溫度起點存在差異，一般認為350 ℃以上為火驅(qū)高溫氧化的溫度區(qū)間，在該溫度下原油才會發(fā)生裂解反應(yīng)，而儲層中的礦物成分在200 ℃便開始發(fā)生變化，菱鐵礦中的FeCO3在200 ℃開始受熱分解，火驅(qū)過程會生成CO2、H2S、SO2等酸性氣體，白云石和方解石中的CaCO3在酸性條件下則會生成Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2在較低的溫度下便可以受熱分解；④在火驅(qū)過程中，燃燒產(chǎn)生的熱量會發(fā)生熱傳導(dǎo)，在縱向上形成中心溫度最高、上下逐漸降低的溫度場，受重力作用的影響，氣體介質(zhì)攜帶的熱量更容易向上擴散，造成了溫度場向上的擴展范圍要大于下部。

4 結(jié) 論

(1) 通過對火驅(qū)取心井的巖心描述、原油特征、儲層礦物特征的綜合分析認為，杜66塊火驅(qū)取心井970～980 m處為典型的高溫氧化區(qū)帶。

(2) 在高溫氧化區(qū)帶，原油族組分中飽和烴與芳烴含量增加，非烴與瀝青質(zhì)含量降低，飽和烴氣相色譜圖中主峰碳降低、輕重比增加，紅外光譜中的含氧度參數(shù)增加，有機元素中的H/C原子比增加，這主要是因為原油在火驅(qū)高溫作用下發(fā)生化學鍵的鍵裂反應(yīng)以及加氧反應(yīng)。

(3) 在高溫氧化區(qū)帶，儲層中的碳酸鹽礦物(白云石、方解石、菱鐵礦)含量降低，黏土礦物中的高嶺石、伊利石、綠泥石含量升高，伊蒙混層含量降低，這主要是儲層礦物受熱分解和高溫條件下的相互轉(zhuǎn)化造成的。