火驅(qū)過程中儲集層變化

程宏杰，廉桂輝，毛小茵，李 霞，胡小冬

(中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

引 言

國內(nèi)外已經(jīng)開展了多項火驅(qū)礦場試驗，取得了較好的生產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益。目前關(guān)于火驅(qū)機(jī)理和改善生產(chǎn)效果等方面研究較多，取得了比較深入的認(rèn)識［1－3］，而對火驅(qū)過程中儲集層物理化學(xué)變化規(guī)律研究較少，儲集層是制約火驅(qū)開發(fā)效果的根本因素，而其變化是認(rèn)識火驅(qū)微觀機(jī)理的重要依據(jù)，因此有必要對其開展研究。新疆油田開展的火驅(qū)先導(dǎo)試驗是在稠油熱采開發(fā)后期上開展的，目前處于高溫穩(wěn)定燃燒階段，原油改質(zhì)明顯，取得了較好的開發(fā)效果［4－5］?；痱?qū)試驗部署完鉆2口密閉取心井，巖性主要為砂礫巖，巖石顆粒分選差，磨圓度為次棱角－次圓狀，膠結(jié)類型以接觸式、接觸－孔隙式為主，膠結(jié)程度中等－疏松。主要孔隙組合類型為原生粒間孔－剩余粒間孔－粒內(nèi)溶孔，粒間溶孔、雜基溶孔次之，含有少量界面孔和微裂縫。黏土以高嶺石為主，平均含量為50.5%，其次是伊蒙混層和伊利石，含量均在19%左右。孔隙度為25.4%，滲透率為760×10－3μm2。利用取心樣品開展了一維火驅(qū)物理模擬實驗，通過對火驅(qū)實驗前后樣品進(jìn)行化驗、巖礦薄片鑒定、巖礦X射線熒光(XRF)、X射線粉晶衍射熒光(XRD)、巖礦礦物電子探針分析及掃描電鏡、流體GC－MS分析等手段研究了火驅(qū)過程中巖礦結(jié)構(gòu)、礦物成分、流體組分、儲集層物性等單因素變化情況，多因素交互影響目前正在研究。重點闡述了火驅(qū)過程中儲層孔隙度、滲透率的變化規(guī)律，取得的研究成果提升了對火驅(qū)微觀機(jī)理的認(rèn)識。

1 實驗裝置

一維燃燒管物理模擬裝置主要包括注氣系統(tǒng)、模型本體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)、計量檢測系統(tǒng)等4部分。該裝置具有預(yù)熱溫度多段控制、模型本體升溫速度可調(diào)、注氣流量及壓力可控、火驅(qū)前緣溫度實時采集、火驅(qū)燃燒后巖礦樣品能迅速降溫、保持巖礦本征特性等特點。一維燃燒管長度為400 mm，內(nèi)徑為55 mm。

2 燃燒實驗及結(jié)果分析

2.1 燃燒實驗設(shè)計

為做到樣品的相對均一性，受樣品量的限制，砂巖樣品分別采自A井的巖屑砂巖和石英砂巖，巖屑砂巖在150、250、650℃條件下開展實驗，石英砂巖在350、450、550℃條件下開展實驗。砂礫巖樣品分別采自A井的第3筒和第5筒，第3筒在450、550℃條件下開展實驗，第 5 筒在 150、250、350、650℃條件下開展實驗。泥巖樣品取自B井，在 150、250、350、450、550℃條件下開展實驗。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 物性變化

2.2.1.1 砂巖樣品

表1為不同溫度、實驗時間條件下砂巖孔隙度變化。由表1可知，隨著時間的增長，砂巖孔隙度最終大于火燒前的孔隙度。該現(xiàn)象與火燒過程中黏土礦物失水，孔隙體積膨脹有關(guān)。表2為不同溫度、實驗時間條件下砂巖滲透率變化。由表2可知，砂巖滲透率在不同溫度下差異較大，150、250℃時隨著實驗時間的延長，滲透率增幅較大，而350、450、550℃時，滲透率增幅相對較小。相同時間條件下，溫度越高，砂巖孔隙度增幅越大(表1)，滲透率則正好相反(表2)。

表1 不同溫度、實驗時間條件下砂巖孔隙度

表2 不同溫度、實驗時間條件下砂巖滲透率

2.2.1.2 砂礫巖樣品

砂礫巖樣品在不同溫度下經(jīng)過火燒之后，其孔隙度的變化特征差異較大。表3為不同溫度、實驗時間條件下砂礫巖孔隙度變化。由表3可知，實驗溫度為150、650℃時，孔隙度持續(xù)降低;實驗溫度為250℃時，1 h后孔隙度先減小，而后持續(xù)增大;實驗溫度為350℃時，1 h后孔隙度減小，3 h后孔隙度增大，而后又減小;實驗溫度為450、550℃時，孔隙度在3 h內(nèi)持續(xù)增大，而后減小。造成砂礫巖樣品孔隙度隨實驗時間延長而變化規(guī)律不太明顯的原因可能是砂礫巖非均質(zhì)性過強(qiáng)，樣品均一性差，在相同井段取得的樣品，砂礫巖顆粒的大小存在較大差異，膠結(jié)程度也不同。

表3 不同溫度、實驗時間條件下砂礫巖孔隙度變化

由表3可知，燃燒時間相同時，隨著溫度的升高，砂礫巖孔隙度總體上是增大的，但在250℃以下，砂礫巖孔隙度首先降低。

2.2.1.3 泥巖樣品

泥巖相對砂礫巖及砂巖而言，孔隙度變化規(guī)律較為明顯，這是因為泥巖總體粒度較小，顆粒大小相對較均一。圖1為450℃、不同時間條件下泥巖平均滲透率變化情況。由圖1可知，隨著實驗時間的延長，滲透率從0.0123×10－3μm2上升至0.0425×10－3μm2，滲透率絕對值變化不大。這有利于蓋層在火驅(qū)過程中保持封閉穩(wěn)定性。

圖1 不同時間條件下泥巖平均滲透率變化情況

2.2.2 黏土礦物變化

圖2 管式燃燒12個點黏土礦物變化特征

圖2為管式燃燒12個點黏土礦物變化特征。由圖2可知，從整個火驅(qū)模擬實驗過程中，高嶺石含量在燃燒區(qū)明顯降低，而蒙脫石、伊利石及伊蒙混層含量明顯增高，說明在燃燒區(qū)高嶺石向伊利石、蒙脫石轉(zhuǎn)化明顯，但火線掃過之后在水蒸汽作用下，伊利石和蒙脫石又會逆向轉(zhuǎn)化成高嶺石。

在溫度大于350℃的條件下，砂巖中的黏土礦物在經(jīng)過火燒之后高嶺石含量減少，由92%減少到60%;蒙脫石含量由3%增加到5%;伊利石含量由5%增加到35%;在350℃、3 h后高嶺石消失，蒙脫石含量增加到17%，伊利石含量增加到83%。這是因為高嶺石在該條件下轉(zhuǎn)化成了伊利石和蒙脫石，同時存在蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。上述反應(yīng)方程式如下:

其中E代表Na+、Ca2+等陽離子。

2.2.3 礦物元素變化

在火燒過程中觀察到了燃燒區(qū)、已燃區(qū)、待燃區(qū)元素具有含量不同的特征，表現(xiàn)出元素的分流效應(yīng)，其中以S、K、Mg等元素最明顯。原因是S元素在燃燒過程中形成易于遷移的SO2和SO3，而K、Mg等元素不僅易溶于水而遷移，同時也是黏土礦物轉(zhuǎn)化可能會引起含量變化的元素。同時，隨著溫度的升高，黃鐵礦會逐漸轉(zhuǎn)化為氧化鐵，溫度達(dá)到650℃后完全轉(zhuǎn)化為氧化鐵。

2.2.4 流體成分變化

圖3為流體元素變化情況。

圖3 流體元素變化

由圖3可知，在燃燒段及其前后，C、H元素的變化基本同步，N、S元素的變化也基本同步，但C、H元素的變化與N、S元素的變化并不同步。這說明引起C、H元素變化的因素應(yīng)該類似，同樣引起N、S元素變化的因素類似，但引起C、H元素變化的因素和引起N、S元素變化的因素至少在離燃燒區(qū)較遠(yuǎn)的待燃區(qū)可能不同。N、S元素主要存在于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中，而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的熱穩(wěn)定性較差。因此在離燃燒區(qū)較遠(yuǎn)的待燃區(qū)，N、S元素和C、H元素的變化趨勢上的差異必然與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的低溫氧化或分解有關(guān)。即飽和烴和芳香烴等富含C、H元素的物質(zhì)是火驅(qū)過程主要被驅(qū)替的物質(zhì)，而含N、S元素的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)既是火驅(qū)的燃料又是被改質(zhì)和被驅(qū)替對象。

3 結(jié)論

(1)隨著溫度增加和時間的延長，砂巖、砂礫巖孔隙度和滲透率都有增加的趨勢，對驅(qū)油有利。

(2)作為蓋層的泥巖在不同溫度、時間條件下，孔隙度、滲透率基本保持不變，說明蓋層的密封效果保持完好，同樣對驅(qū)油有利。

(3)燃燒區(qū)高嶺石向伊利石、蒙脫石轉(zhuǎn)化明顯，黃鐵礦中的硫化亞鐵轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸F和硫氧化合物。

(4)飽和烴和芳香烴等富C、H元素的物質(zhì)是火驅(qū)過程中主要被驅(qū)替的物質(zhì)，而含N、S元素的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)主要為火驅(qū)提供燃料。

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