岩矿在火驱条件下的物理化学变化

刘雅丽，何龙李忠权，李洪奎

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学）构造成矿成藏国土资源部重点实验室（成都理工大学），四川 成都610059）

火驱采油是在稠油的采集过程中，利用高温降低稠油黏稠度，使之易于流动，从而将其采出的一种采油方法，在业界受到了极为广泛的关注［1～4］。目前，我国已有多个油田试验区点火运行，并在开采过程中初见成效［5］。但在火驱采油中，对岩矿的物理化学变化规律的研究甚少，笔者通过一维火烧油层驱油（以下简称 “火驱”）物理模拟试验，对比了试验前后的岩石薄片，并通过岩石X－射线粉晶衍射分析岩矿化学成分的变化与转换，研究了火驱对岩矿物理化学变化的影响。

1 岩矿镜下鉴定

1.1 火烧前岩矿的镜下特征

研究区主要发育砂岩、砂砾岩及泥岩。

1）砂岩 主要为岩屑砂岩和石英砂岩。岩屑砂岩具不等粒砂状结构，碎屑分选差，磨圆呈次圆－次棱角状。岩屑体积分数约为57%，以硅质岩屑和泥岩岩屑为主；矿物碎屑主要为石英与斜长石，体积分数约为25%、10%；斜长石颗粒部分溶融形成以粒间溶蚀孔为主的孔隙，部分充填黏土杂基；岩石可见沥青呈网纹状充填于颗粒之间。石英砂岩具中粒砂状结构，碎屑分选一般，磨圆呈次圆－次棱角状，少量呈棱角状；碎屑成分主要为岩屑，约占55%，其中硅质岩屑含量较高，还可见泥岩岩屑、变质岩岩屑，偶见炭屑、板岩、火山岩岩屑和云母片；矿物碎屑中石英体积分数为28%，长石以斜长石为主，体积分数为8%，多被融蚀，填隙物以泥质为主（图1）。

图1 火烧前岩屑石英砂岩镜下照片

2）砂砾岩 为石英质砂砾岩，砾石主要成分为泥砾；碎屑分选差，磨圆呈次圆－次棱角状；碎屑成分以石英颗粒、岩屑、长石为主，岩屑以硅质岩屑和泥岩岩屑为主，其中，硅质岩屑被黏土交代，表面较脏；填隙物以黏土杂基为主（约占5%）；岩石的孔隙较发育，以粒间溶孔为主（占15%）。

3）泥岩 呈土灰色，具隐晶质结构；由泥质组成（占78%）；在黏土中可见石英砂粒，粒径在0.05～0.005mm，其中大于0.05mm的可达4%，石英碎屑体积分数约占13%；另见泥质中分布有较多黑色杂质、炭屑和少许云母片，粒径不等。泥岩中孔隙较难观察，偶见裂缝，面孔率较低（图2）。

图2 火烧前泥岩镜下照片

1.2 火烧后的镜下特征

火烧后岩石颜色变浅，但镜下矿物颗粒由于黏土化而使薄片表面显得更加模糊。砂岩、砂砾岩中矿物颗粒边缘或沿解理可见高温加热后形成的收缩缝，颗粒多破碎，排列疏松，甚至可见颗粒脱落现象，其中多晶石英变碎的现象更加明显。颗粒之间泥质减少，甚至被烧失或转变成其他类型黏土矿物，导致粒间溶孔和粒内溶孔变大（图3）。泥岩中的碳屑和油质逐渐减少，由最开始的条带状转变成星点状。上述变化将导致储层孔隙度和渗透率的增加，更有利于稠油采出。

图3 火烧后岩屑砂岩的镜下特征

2 X－射线粉晶衍射分析

火烧试验现场火线推进速度大致为0.25cm／h，试验过程中样品的长度一般为2.5cm，最长时间设置为10h。为了分析不同温度下不同时间内的岩矿变化，在试验过程中分别在1、3和10h进行取样。在350、450和550℃下经过10h的试验，通过X－射线粉晶衍射进行样品化学组分分析。

2.1 全岩X－射线粉晶衍射分析

在350、450和550℃的燃烧温度条件下，总体而言，随着燃烧时间的增加，石英含量增加，长石与黏土矿物有所减少（表1，图4）。

表1 火烧条件不同温度和时间下岩石矿物体积分数的变化

图4 不同火烧条件下岩石矿物组成

由以上数据分析可知，火烧试验之后，砂岩在不同温度、不同时间条件下，石英、钾长石、斜长石及黏土总量有着不同的变化特征。随着燃烧时间的增加，黏土矿物总量降低，石英含量增加，长石总量趋于减少，推测存在长石（钾长石、斜长石）向黏土矿物、石英转化的现象，其化学反应方程式如下：

2.2 黏土矿物X－射线粉晶衍射分析

研究区主要发育黏土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石。为了解不同温度、不同时间火烧后的黏土矿物是如何转换的，分别测试了350、450和550℃条件下，经过火烧试验后，黏土矿物含量随时间的变化规律（表2、图5）。

表2 火烧条件下不同温度和时间下黏土矿物体积分数的变化

图5 不同火烧条件下黏土矿物组成

黏土矿物中结构水主要在400～525℃之间逸出，低温失水很少，随着温度升高，矿物层间水释放及层间阳离子移出，黏土矿物发生重结晶或矿物之间相互转化［6］。而研究区岩层富含K＋、Na＋离子，随着燃烧时间的增加，高岭石经脱水作用后，由于碱性阳离子的吸附以及高岭石晶格的重新排列而形成伊－蒙混层，进而向伊利石转化。在350℃条件下，高岭石变化极小，蒙脱石、伊利石、伊－蒙混层矿物发生较小变化，仅表现为伊利石含量略有降低、伊－蒙混层含量略有升高；而在450℃条件下，高岭石含量迅速降低，伊利石、伊－蒙混层增加（最大增加至31%、27%）；550℃条件下，高岭石体积分数由92%降至0，蒙脱石、伊利石含量则发生较大幅度的增加（最大增加至17%、82%）。

在温度大于350℃的干烧条件下，高岭石含量减少，而蒙脱石和伊利石含量增加，其中伊利石增加幅度较大，因此可认为高岭石在该条件下转化成了伊利石和蒙脱石，同时蒙脱石也有向伊利石转化的现象。上述反应方程式推测如下：

式中：E为Na＋、Ca2＋等阳离子。

高岭石转化为蒙脱石过程中，参与反应的Mg2＋、Na＋、Ca2＋等阳离子可能主要来自于长石和地层水；高岭石转化为伊利石过程中参与反应的K＋可能主要来自于钾长石的蚀变，也可能来自于地层水。

3 结论

1）通过岩石薄片观察，火烧后的岩石颜色变浅。砂岩样品中矿物颗粒中间产生裂缝，排列疏松，颗粒破裂，尤其是泥质岩屑、硅质岩屑颗粒甚至是多晶石英变碎的现象更为明显。泥岩样品中，泥质和有机质被烧失或转变成其他黏土矿物，孔隙增多、变大，加热岩石碎裂的现象明显。

2）火烧前后岩石中主要矿物组成基本不变，但在火烧过程中有波动，石英含量与钾长石、斜长石、黏土总量之和呈负相关关系。在温度大于350℃的干烧条件下，黏土矿物在经过火烧之后高岭石含量减少，而蒙脱石和伊利石含量增加，其中伊利石增加幅度较大，可以认为高岭石在此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。

［1］崔玉峰，杨德伟，陈玉丽，等.火烧油层热力采油过程的数值模拟 ［J］.石油学报，2004，25（5）：99～103.

［2］牛嘉玉，刘尚奇，门存贵，等.稠油资源地质与开发利用 ［M］.北京：科学出版社，2002.

［3］蔡文斌，李友平，李淑兰，等.胜利油田火烧油层现场试验 ［J］.特种油气藏，2007，14（3）：88～90.

［4］岳磊，田青超.火驱采油套管的试制开发 ［J］.山东冶金，2010，32（6）：53～55.

［5］关文龙，马德胜，梁金中，等.火驱储层带特征实验研究 ［J］.石油学报，2010，31（1）：100～104.

［6］刘宝珺.沉积岩石学 ［M］.北京：地质出版社，1980.