巖礦在火驅條件下的物理化學變化

劉雅麗，何龍李忠權，李洪奎

（油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學）構造成礦成藏國土資源部重點實驗室（成都理工大學），四川 成都610059）

火驅采油是在稠油的采集過程中，利用高溫降低稠油黏稠度，使之易于流動，從而將其采出的一種采油方法，在業界受到了極為廣泛的關注［1～4］。目前，我國已有多個油田試驗區點火運行，并在開采過程中初見成效［5］。但在火驅采油中，對巖礦的物理化學變化規律的研究甚少，筆者通過一維火燒油層驅油（以下簡稱 “火驅”）物理模擬試驗，對比了試驗前后的巖石薄片，并通過巖石X－射線粉晶衍射分析巖礦化學成分的變化與轉換，研究了火驅對巖礦物理化學變化的影響。

1 巖礦鏡下鑒定

1.1 火燒前巖礦的鏡下特征

研究區主要發育砂巖、砂礫巖及泥巖。

1）砂巖 主要為巖屑砂巖和石英砂巖。巖屑砂巖具不等粒砂狀結構，碎屑分選差，磨圓呈次圓－次棱角狀。巖屑體積分數約為57%，以硅質巖屑和泥巖巖屑為主；礦物碎屑主要為石英與斜長石，體積分數約為25%、10%；斜長石顆粒部分溶融形成以粒間溶蝕孔為主的孔隙，部分充填黏土雜基；巖石可見瀝青呈網紋狀充填于顆粒之間。石英砂巖具中粒砂狀結構，碎屑分選一般，磨圓呈次圓－次棱角狀，少量呈棱角狀；碎屑成分主要為巖屑，約占55%，其中硅質巖屑含量較高，還可見泥巖巖屑、變質巖巖屑，偶見炭屑、板巖、火山巖巖屑和云母片；礦物碎屑中石英體積分數為28%，長石以斜長石為主，體積分數為8%，多被融蝕，填隙物以泥質為主（圖1）。

圖1 火燒前巖屑石英砂巖鏡下照片

2）砂礫巖 為石英質砂礫巖，礫石主要成分為泥礫；碎屑分選差，磨圓呈次圓－次棱角狀；碎屑成分以石英顆粒、巖屑、長石為主，巖屑以硅質巖屑和泥巖巖屑為主，其中，硅質巖屑被黏土交代，表面較臟；填隙物以黏土雜基為主（約占5%）；巖石的孔隙較發育，以粒間溶孔為主（占15%）。

3）泥巖 呈土灰色，具隱晶質結構；由泥質組成（占78%）；在黏土中可見石英砂粒，粒徑在0.05～0.005mm，其中大于0.05mm的可達4%，石英碎屑體積分數約占13%；另見泥質中分布有較多黑色雜質、炭屑和少許云母片，粒徑不等。泥巖中孔隙較難觀察，偶見裂縫，面孔率較低（圖2）。

圖2 火燒前泥巖鏡下照片

1.2 火燒后的鏡下特征

火燒后巖石顏色變淺，但鏡下礦物顆粒由于黏土化而使薄片表面顯得更加模糊。砂巖、砂礫巖中礦物顆粒邊緣或沿解理可見高溫加熱后形成的收縮縫，顆粒多破碎，排列疏松，甚至可見顆粒脫落現象，其中多晶石英變碎的現象更加明顯。顆粒之間泥質減少，甚至被燒失或轉變成其他類型黏土礦物，導致粒間溶孔和粒內溶孔變大（圖3）。泥巖中的碳屑和油質逐漸減少，由最開始的條帶狀轉變成星點狀。上述變化將導致儲層孔隙度和滲透率的增加，更有利于稠油采出。

圖3 火燒后巖屑砂巖的鏡下特征

2 X－射線粉晶衍射分析

火燒試驗現場火線推進速度大致為0.25cm／h，試驗過程中樣品的長度一般為2.5cm，最長時間設置為10h。為了分析不同溫度下不同時間內的巖礦變化，在試驗過程中分別在1、3和10h進行取樣。在350、450和550℃下經過10h的試驗，通過X－射線粉晶衍射進行樣品化學組分分析。

2.1 全巖X－射線粉晶衍射分析

在350、450和550℃的燃燒溫度條件下，總體而言，隨著燃燒時間的增加，石英含量增加，長石與黏土礦物有所減少（表1，圖4）。

表1 火燒條件不同溫度和時間下巖石礦物體積分數的變化

圖4 不同火燒條件下巖石礦物組成

由以上數據分析可知，火燒試驗之后，砂巖在不同溫度、不同時間條件下，石英、鉀長石、斜長石及黏土總量有著不同的變化特征。隨著燃燒時間的增加，黏土礦物總量降低，石英含量增加，長石總量趨于減少，推測存在長石（鉀長石、斜長石）向黏土礦物、石英轉化的現象，其化學反應方程式如下：

2.2 黏土礦物X－射線粉晶衍射分析

研究區主要發育黏土礦物有高嶺石、蒙脫石、伊利石。為了解不同溫度、不同時間火燒后的黏土礦物是如何轉換的，分別測試了350、450和550℃條件下，經過火燒試驗后，黏土礦物含量隨時間的變化規律（表2、圖5）。

表2 火燒條件下不同溫度和時間下黏土礦物體積分數的變化

圖5 不同火燒條件下黏土礦物組成

黏土礦物中結構水主要在400～525℃之間逸出，低溫失水很少，隨著溫度升高，礦物層間水釋放及層間陽離子移出，黏土礦物發生重結晶或礦物之間相互轉化［6］。而研究區巖層富含K＋、Na＋離子，隨著燃燒時間的增加，高嶺石經脫水作用后，由于堿性陽離子的吸附以及高嶺石晶格的重新排列而形成伊－蒙混層，進而向伊利石轉化。在350℃條件下，高嶺石變化極小，蒙脫石、伊利石、伊－蒙混層礦物發生較小變化，僅表現為伊利石含量略有降低、伊－蒙混層含量略有升高；而在450℃條件下，高嶺石含量迅速降低，伊利石、伊－蒙混層增加（最大增加至31%、27%）；550℃條件下，高嶺石體積分數由92%降至0，蒙脫石、伊利石含量則發生較大幅度的增加（最大增加至17%、82%）。

在溫度大于350℃的干燒條件下，高嶺石含量減少，而蒙脫石和伊利石含量增加，其中伊利石增加幅度較大，因此可認為高嶺石在該條件下轉化成了伊利石和蒙脫石，同時蒙脫石也有向伊利石轉化的現象。上述反應方程式推測如下：

式中：E為Na＋、Ca2＋等陽離子。

高嶺石轉化為蒙脫石過程中，參與反應的Mg2＋、Na＋、Ca2＋等陽離子可能主要來自于長石和地層水；高嶺石轉化為伊利石過程中參與反應的K＋可能主要來自于鉀長石的蝕變，也可能來自于地層水。

3 結論

1）通過巖石薄片觀察，火燒后的巖石顏色變淺。砂巖樣品中礦物顆粒中間產生裂縫，排列疏松，顆粒破裂，尤其是泥質巖屑、硅質巖屑顆粒甚至是多晶石英變碎的現象更為明顯。泥巖樣品中，泥質和有機質被燒失或轉變成其他黏土礦物，孔隙增多、變大，加熱巖石碎裂的現象明顯。

2）火燒前后巖石中主要礦物組成基本不變，但在火燒過程中有波動，石英含量與鉀長石、斜長石、黏土總量之和呈負相關關系。在溫度大于350℃的干燒條件下，黏土礦物在經過火燒之后高嶺石含量減少，而蒙脫石和伊利石含量增加，其中伊利石增加幅度較大，可以認為高嶺石在此條件下轉化成了伊利石和蒙脫石，同時存在蒙脫石向伊利石轉化的現象。

［1］崔玉峰，楊德偉，陳玉麗，等.火燒油層熱力采油過程的數值模擬 ［J］.石油學報，2004，25（5）：99～103.

［2］牛嘉玉，劉尚奇，門存貴，等.稠油資源地質與開發利用 ［M］.北京：科學出版社，2002.

［3］蔡文斌，李友平，李淑蘭，等.勝利油田火燒油層現場試驗 ［J］.特種油氣藏，2007，14（3）：88～90.

［4］岳磊，田青超.火驅采油套管的試制開發 ［J］.山東冶金，2010，32（6）：53～55.

［5］關文龍，馬德勝，梁金中，等.火驅儲層帶特征實驗研究 ［J］.石油學報，2010，31（1）：100～104.

［6］劉寶珺.沉積巖石學 ［M］.北京：地質出版社，1980.