火驱过程中储集层变化

2014-10-17程宏杰廉桂辉毛小茵胡小冬

特种油气藏 2014年3期

程宏杰，廉桂辉，毛小茵，李霞，胡小冬

(中油新疆油田分公司，新疆克拉玛依 834000)

引言

国内外已经开展了多项火驱矿场试验，取得了较好的生产效果和经济效益。目前关于火驱机理和改善生产效果等方面研究较多，取得了比较深入的认识［1－3］，而对火驱过程中储集层物理化学变化规律研究较少，储集层是制约火驱开发效果的根本因素，而其变化是认识火驱微观机理的重要依据，因此有必要对其开展研究。新疆油田开展的火驱先导试验是在稠油热采开发后期上开展的，目前处于高温稳定燃烧阶段，原油改质明显，取得了较好的开发效果［4－5］。火驱试验部署完钻2口密闭取心井，岩性主要为砂砾岩，岩石颗粒分选差，磨圆度为次棱角－次圆状，胶结类型以接触式、接触－孔隙式为主，胶结程度中等－疏松。主要孔隙组合类型为原生粒间孔－剩余粒间孔－粒内溶孔，粒间溶孔、杂基溶孔次之，含有少量界面孔和微裂缝。黏土以高岭石为主，平均含量为50.5%，其次是伊蒙混层和伊利石，含量均在19%左右。孔隙度为25.4%，渗透率为760×10－3μm2。利用取心样品开展了一维火驱物理模拟实验，通过对火驱实验前后样品进行化验、岩矿薄片鉴定、岩矿X射线荧光(XRF)、X射线粉晶衍射荧光(XRD)、岩矿矿物电子探针分析及扫描电镜、流体GC－MS分析等手段研究了火驱过程中岩矿结构、矿物成分、流体组分、储集层物性等单因素变化情况，多因素交互影响目前正在研究。重点阐述了火驱过程中储层孔隙度、渗透率的变化规律，取得的研究成果提升了对火驱微观机理的认识。

1 实验装置

一维燃烧管物理模拟装置主要包括注气系统、模型本体系统、数据测控系统、计量检测系统等4部分。该装置具有预热温度多段控制、模型本体升温速度可调、注气流量及压力可控、火驱前缘温度实时采集、火驱燃烧后岩矿样品能迅速降温、保持岩矿本征特性等特点。一维燃烧管长度为400 mm，内径为55 mm。

2 燃烧实验及结果分析

2.1 燃烧实验设计

为做到样品的相对均一性，受样品量的限制，砂岩样品分别采自A井的岩屑砂岩和石英砂岩，岩屑砂岩在150、250、650℃条件下开展实验，石英砂岩在350、450、550℃条件下开展实验。砂砾岩样品分别采自A井的第3筒和第5筒，第3筒在450、550℃条件下开展实验，第 5 筒在 150、250、350、650℃条件下开展实验。泥岩样品取自B井，在 150、250、350、450、550℃条件下开展实验。

2.2 结果分析

2.2.1 物性变化

2.2.1.1 砂岩样品

表1为不同温度、实验时间条件下砂岩孔隙度变化。由表1可知，随着时间的增长，砂岩孔隙度最终大于火烧前的孔隙度。该现象与火烧过程中黏土矿物失水，孔隙体积膨胀有关。表2为不同温度、实验时间条件下砂岩渗透率变化。由表2可知，砂岩渗透率在不同温度下差异较大，150、250℃时随着实验时间的延长，渗透率增幅较大，而350、450、550℃时，渗透率增幅相对较小。相同时间条件下，温度越高，砂岩孔隙度增幅越大(表1)，渗透率则正好相反(表2)。

表1 不同温度、实验时间条件下砂岩孔隙度

表2 不同温度、实验时间条件下砂岩渗透率

2.2.1.2 砂砾岩样品

砂砾岩样品在不同温度下经过火烧之后，其孔隙度的变化特征差异较大。表3为不同温度、实验时间条件下砂砾岩孔隙度变化。由表3可知，实验温度为150、650℃时，孔隙度持续降低;实验温度为250℃时，1 h后孔隙度先减小，而后持续增大;实验温度为350℃时，1 h后孔隙度减小，3 h后孔隙度增大，而后又减小;实验温度为450、550℃时，孔隙度在3 h内持续增大，而后减小。造成砂砾岩样品孔隙度随实验时间延长而变化规律不太明显的原因可能是砂砾岩非均质性过强，样品均一性差，在相同井段取得的样品，砂砾岩颗粒的大小存在较大差异，胶结程度也不同。

表3 不同温度、实验时间条件下砂砾岩孔隙度变化

由表3可知，燃烧时间相同时，随着温度的升高，砂砾岩孔隙度总体上是增大的，但在250℃以下，砂砾岩孔隙度首先降低。

2.2.1.3 泥岩样品

泥岩相对砂砾岩及砂岩而言，孔隙度变化规律较为明显，这是因为泥岩总体粒度较小，颗粒大小相对较均一。图1为450℃、不同时间条件下泥岩平均渗透率变化情况。由图1可知，随着实验时间的延长，渗透率从0.0123×10－3μm2上升至0.0425×10－3μm2，渗透率绝对值变化不大。这有利于盖层在火驱过程中保持封闭稳定性。

图1 不同时间条件下泥岩平均渗透率变化情况

2.2.2 黏土矿物变化

图2 管式燃烧12个点黏土矿物变化特征

图2为管式燃烧12个点黏土矿物变化特征。由图2可知，从整个火驱模拟实验过程中，高岭石含量在燃烧区明显降低，而蒙脱石、伊利石及伊蒙混层含量明显增高，说明在燃烧区高岭石向伊利石、蒙脱石转化明显，但火线扫过之后在水蒸汽作用下，伊利石和蒙脱石又会逆向转化成高岭石。

在温度大于350℃的条件下，砂岩中的黏土矿物在经过火烧之后高岭石含量减少，由92%减少到60%;蒙脱石含量由3%增加到5%;伊利石含量由5%增加到35%;在350℃、3 h后高岭石消失，蒙脱石含量增加到17%，伊利石含量增加到83%。这是因为高岭石在该条件下转化成了伊利石和蒙脱石，同时存在蒙脱石向伊利石转化的现象。上述反应方程式如下:

其中E代表Na+、Ca2+等阳离子。

2.2.3 矿物元素变化

在火烧过程中观察到了燃烧区、已燃区、待燃区元素具有含量不同的特征，表现出元素的分流效应，其中以S、K、Mg等元素最明显。原因是S元素在燃烧过程中形成易于迁移的SO2和SO3，而K、Mg等元素不仅易溶于水而迁移，同时也是黏土矿物转化可能会引起含量变化的元素。同时，随着温度的升高，黄铁矿会逐渐转化为氧化铁，温度达到650℃后完全转化为氧化铁。

2.2.4 流体成分变化

图3为流体元素变化情况。

图3 流体元素变化

由图3可知，在燃烧段及其前后，C、H元素的变化基本同步，N、S元素的变化也基本同步，但C、H元素的变化与N、S元素的变化并不同步。这说明引起C、H元素变化的因素应该类似，同样引起N、S元素变化的因素类似，但引起C、H元素变化的因素和引起N、S元素变化的因素至少在离燃烧区较远的待燃区可能不同。N、S元素主要存在于胶质和沥青质中，而胶质和沥青质的热稳定性较差。因此在离燃烧区较远的待燃区，N、S元素和C、H元素的变化趋势上的差异必然与胶质和沥青质的低温氧化或分解有关。即饱和烃和芳香烃等富含C、H元素的物质是火驱过程主要被驱替的物质，而含N、S元素的胶质和沥青质既是火驱的燃料又是被改质和被驱替对象。