刘其成，闫红星，杨俊印，程海清，董晓东

(1.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010；2.国家能源稠(重)油开采研发中心，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

火驱又称火烧油层，其基本原理是通过注气井将空气注入油藏，利用点火器在地下引燃原油，原油中的重质组分发生裂解反应生成轻质组分，在高温环境下与燃烧生成的气体共同作用驱动原油至生产井采出[1]。该技术具有适用范围广、运行成本低、采出程度高等优点，目前已在罗马尼亚、加拿大、美国、印度、中国等国家进行了工业化应用与试验[2-3]。火驱燃烧状态的准确判识已成为火驱开发的技术难点之一，高温氧化燃烧是评价火驱开发效果的重要依据。目前，对火驱燃烧状态的判识方法主要有产量预测、数值模拟、伴生气组分以及示踪剂等方法。刘应忠等[4]、金兆勋[5]在高3-6-18块动态跟踪的基础上，采用数值模拟和数理统计等方法，对产量、温度、压力以及气体成分等进行跟踪评价，判断该区块燃烧模式为高温氧化。张方礼等[6]运用气相色谱分析技术对比了稠油火驱前后的色谱指纹特征，认为该方法是识别火驱燃烧状态的有效手段。孙洪军等[7]采用杜66块原油开展室内物理模拟实验，认为二氧化碳含量与火驱燃烧状态呈良好的对应关系，二氧化碳含量超过15%时可认为是高温氧化。袁士宝等[8]采用示踪剂方法建立了判断多井组火驱燃烧前缘位置的方法。对火驱取心井的分析研究是获取稠油油藏火驱开发过程中矿物组成、原油性质、物性等参数最系统的方式，是反映地下燃烧状态最直接的证据，但目前该方面研究鲜有报道。杨智等[9]通过研究红浅1井区取心井的族组分、热解以及岩矿转化特征，初步分析了各区带高温氧化特征，但该方法系统性不足，缺乏对岩心中原油与储层矿物的精细研究。因此，利用气相色谱仪、红外光谱仪、有机元素仪、X衍射仪、环境扫描电镜对原油组分特征储层矿物特征等开展系统分析，形成了火驱取心井高温氧化区带多参数综合判识方法，为科学准确认识高温氧化区带提供了更为可靠的依据。

1 实验方法

曙1-46-K037井为辽河油田杜66块火驱区块的取心井，取心深度为950～1 000 m。为了认识火驱开发过程中取心井高温氧化区带中原油与储层变化特征，对选取的岩心样品开展相关实验分析。具体实验流程为：首先对岩心样品开展宏观特征的岩心描述；然后采用三氯甲烷有机溶剂，利用索氏抽提法获取岩心中原油样品，采用棒状薄层色谱分析仪开展原油中饱和烃、芳烃、非烃和沥青质相对含量的分析，利用气相色谱仪对原油开展色谱分析并得到有关谱图形态、主峰碳、轻重比等参数，采用傅里叶变换红外光谱仪得到波长为400～4 000 cm-1的红外光谱图，利用有机元素仪得到碳、氢、氧元素的含量；经甲苯洗油后烘干的岩心样品一方面开展X衍射测试，得到黏土矿物、碳酸盐矿物方面的信息，另一方面利用扫描电镜开展岩心微观形貌方面的研究，从微观角度观察孔隙类型及矿物变化特征。

2 结果分析与讨论

2.1 岩心描述

2.1.1 岩心宏观描述

肉眼观察岩心是正确认识岩心的基础方法，对于认识岩心的岩性、矿物成分、含油性等具有重要意义。通常岩心在火驱高温氧化后具有含油性降低、砂体疏松的特征，并且储层矿物在高温作用下会造成岩心颜色发生变化。图1为取心井岩心照片。由图1可知：在较浅部位(965 m)附近和较深部位(989 m)附近岩心砂体呈深褐色—黑色，砂体疏松并具有一定的黏性，为辽河油田稠油油藏岩心的典型特征；而在深度为978 m附近颜色较浅，呈现暗褐色，砂体松散无黏性，并且在储层夹杂的泥质中发现明显的收缩缝，为火驱高温氧化后的痕迹。据此初步判断978 m附近为高温氧化层段。

2.1.2 岩心微观特征

利用扫描电子显微镜可以准确描述储层中的矿物组成与形貌特征(图2)。由图2可知：深度为957 m处未发生高温氧化的浅层部位，岩心孔隙发育差，孔隙类型以粒间残余孔缝为主，发育粒间菱面体碳酸盐、蒙皂石黏土等填隙物；深度为985 m处未发生高温氧化的深层部位，孔隙发育，孔隙类型有粒间孔、颗粒裂缝等，粒间、粒表存在蒙皂石黏土、球粒状黄铁矿、菱面体碳酸盐；深度为977 m处发生高温氧化的部位，岩心孔隙发育，孔隙类型以粒间孔为主，粒间见高岭石黏土填隙物及残余孔隙，长石见加大现象。

图2 储层矿物扫描电镜

2.2 原油特征

2.2.1 原油族组分特征

原油族组分特征是反映原油化学组成的最基础指标之一，可以反映火驱开发过程中原油的改质特征。图3为族组分随深度的变化曲线。由图3可知，970～985 m范围内的原油与相邻层段原油相比，具有较高的饱和烃与芳烃含量(41.57%，为质量分数，下同)、较低的非烃和沥青质含量(58.43%)，表明稠油在火驱高温氧化过程中发生了非烃与沥青质向饱和烃与芳烃的转化。这是因为原油的非烃与沥青质组分中含有氧、氮、硫等杂原子大分子烃类化合物，在火驱高温作用下更容易发生键裂反应，生成正构烷烃、异构烷烃、环烷烃以及带有苯环的芳烃化合物。

图3 族组分随深度变化曲线

2.2.2 原油饱和烃色谱特征

采用气相色谱分析技术对原油饱和烃色谱特征开展分析(图4)。由图4可知：深度为966 m处的原油饱和烃气相色谱图中主峰碳较大(nC23)，碳数分布范围较窄(nC13—nC27)，正构烷烃含量很低，仅保留少部分的异构烷烃和环烷烃，高碳数部分含有异常丰富的甾萜类化合物，并且由于该类化合物在气相色谱中难分离，导致基线隆起严重，形成大包络(UCM)[10]，这是由于稠油在地质演化过程中遭受生物降解作用造成的；类异戊二烯烃中的姥鲛烷(Pr)与植烷(Ph)含量明显高于相邻的饱和烃(nC17与nC18)，并且姥鲛烷含量高于植烷，姥植比为2.94。深度为984 m处的原油与965 m处的原油饱和烃色谱特征相似。深度为978 m处的原油饱和烃色谱特征则明显不同，饱和烃气相色谱图呈明显的单峰型分布，碳数分布范围不变，但主峰碳前移(nC17)，正构烷烃明显占优势，类异戊二烯烃中的姥鲛烷(Pr)与植烷(Ph)含量与相邻的饱和烃(nC17、nC18)含量逐渐接近。

图4 饱和烃气相色谱

原油轻重比(∑nC21-/∑nC22+)是低碳数正构烷烃总含量与高碳数正构烷烃总含量的比值，可反映热演化程度和母质来源，一般热演化程度越高母质来源越好，轻重比值越高原油品质越好[11-12]。此外，由于Pr与Ph的热稳定性要好于相邻的正构烷烃(nC17、nC18)，也可以采用Pr/nC17、Ph/nC18表征受火驱高温作用的原油特征。由统计的饱和烃参数(表1)可知：深度为978m处发生火驱高温氧化的原油轻重比值(3.88)明显高于965、984 m处的原油的轻重比(分别为1.00和0.92)。这是因为稠油在火驱高温氧化过程中，长链烷烃或大分子化合物发生键裂反应生成了分子质量较小的低碳数烷烃。由于正构烷烃含量增加，深度为978 m处原油的Pr/nC17和Ph/nC18明显低于965、984 m处的原油的Pr/nC17和Ph/nC18。

表1 饱和烃参数

2.2.3 原油官能团与有机元素特征

红外光谱是由分子振动和转动导致的对特定频率的红外光吸收而形成的吸收谱图，不同频率、不同强度的红外光谱峰可以反映官能团特征。在原油的红外光谱中，波数为1 700 cm-1代表酯、酮、酸醇中羰基的伸缩振动吸收峰，波数为1 600 cm-1代表芳香烃中碳碳键骨架的伸缩振动吸收峰，一般以波数为1 700 cm-1与1 600 cm-1的比值(A1700/A1600)作为含氧度的参数，可以反映含氧官能团的变化情况[13](图5a)。由图5a可知，深度为960～970 m处A1700/A1600较小(0.69～0.80)，在深度为975 m达到最大值0.84，之后随着深度的增加该比值逐渐减小(0.65～0.71)。该结果表明深度为975 m处原油发生了高温氧化，生成带有羰基的含氧官能团，导致该处A1700/A1600升高。

元素组成是原油的基本性质之一，组成原油的元素主要为碳、氢，其次是氧、硫、氮。原油中的元素绝大多数以有机化合物的形式存在，并且原油重组分占比越大所含的高分子烃类化合物就越多，随着分子量的增加，碳元素含量升高、氢元素含量降低。因此，可利用H/C原子比的变化来表征原油化学性质的变化(图5b)。由图5b可知，深度为973 m处原油的H/C原子比最高，达到了1.70。这是因为深度为973 m附近原油在火驱高温作用下发生了碳碳键的键裂反应，非烃、沥青质等大分子化合物发生断裂生成了饱和烃、芳烃等分子量相对较小的烃类化合物，随着碳链长度的减小，原油轻组分占比增大，导致H/C原子比增加。

2.3 储层矿物特征

2.3.1 储层黏土矿物特征

图6为储层中黏土矿物含量随深度变化曲线。由图6可知：深度为970～980 m处为火驱高温氧化区间，高岭石、伊利石、绿泥石相对含量较高，分别为5.0%～9.0%、3.0%～6.0%、2.0%～5.0%；伊蒙混层相对含量较低，含量为81.0%～91.0%(图6)。

图5 含氧官能团与H/C原子比随深度变化

图6 黏土矿物随深度变化曲线

高岭石和伊利石在火驱高温氧化条件下的变化可用钾长石与黏土矿物之间的转化规律解释。在有空气存在的高温氧化过程，火驱生成的CO2会使钾长石发生碳酸盐化，生成高岭石和伊利石，并导致石英含量的增加[14-25]。

绿泥石在高温氧化区带含量的增加与其成因密切相关，绿泥石主要由富含铁、镁的硅酸盐矿物经热液交代蚀变而形成，常用于了解成矿作用过程和热液的变化，是一种重要的找矿标志，在稠油火驱过程中，绿泥石在高温氧化区带含量的增加与碎屑成分密切相关，岩层中富含铁、镁的基性岩屑经高温热液交代蚀变，部分转变为绿泥石，导致绿泥石含量增加。因此，绿泥石可作为火驱高温氧化的标志。

伊蒙混层在高温氧化区带含量降低，其原因为：长石(钾长石)在高温氧化过程中，除了转化为黏土矿物外，还存在蒙脱石向伊利石转化的过程，具体为蒙脱石中一部分层间水脱出，造成层间塌陷，导致晶格重新排列和碱性阳离子吸附，形成伊蒙混层，进而转变为伊利石。

2.3.2 储层碳酸盐矿物特征

取心井碳酸盐矿物含量随深度变化如图7所示。由图7可知，在深度为965～985 m处白云石、方解石和菱铁矿含量明显低于其他层段，分别为0.9%～1.2%、0.9%～2.0%、0.6%～1.0%。分析原因为：白云石主要是由CaCO3和MgCO3(二者占比大致为1∶1)组成的矿物，受热分解为CaO、MgO和CO2；方解石的化学成分主要是碳酸钙，受热生成CO2和CaO；FeCO3是菱铁矿的主要成分，其在200 ℃开始分解为FeO和CO2，若在有氧条件下受高温作用二价铁会被氧化成三价铁，生成Fe2O3。在火驱高温氧化过程中，储层的碳酸盐矿物受热分解，在纵向上形成了低碳酸盐矿物含量的高温氧化区带。

图7 碳酸盐矿物含量随深度变化曲线

3 高温氧化区带识别

通过对火驱取心井中原油与储层矿物特征的综合分析，采用定量化参数建立了火驱取心井高温氧化区带的判识模板(图8)，其中，红色表示高温氧化程度高，黄色表示高温氧化程度低。综合分析认为，该取心井970～980 m处为高温氧化区带。

由图8可知，无论采用原油或储层矿物作为取

图8 高温氧化层带综合判识图版

心井高温氧化区带的判识指标，选取参数的不同会导致高温氧化区带判识的上下波动，这主要是受取心井中原油与储层矿物对火驱高温氧化敏感性差异以及重力作用的影响。具体表现为：①原油是稠油油藏火驱开发过程中的燃料，在含氧、高温、高压的条件下会伴随键裂反应、加氧反应等一系列复杂的物理与化学变化，进而表现为原油宏观物理特征与微观组分的变化；②储层中的各种矿物在火驱过程中并不会直接参与到燃烧过程中，而是在高温条件下发生矿物的相互转化或形态的改变，如碳酸盐分解、长石加大等；③原油与储层矿物受热发生变化的温度起点存在差异，一般认为350 ℃以上为火驱高温氧化的温度区间，在该温度下原油才会发生裂解反应，而储层中的矿物成分在200 ℃便开始发生变化，菱铁矿中的FeCO3在200 ℃开始受热分解，火驱过程会生成CO2、H2S、SO2等酸性气体，白云石和方解石中的CaCO3在酸性条件下则会生成Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2在较低的温度下便可以受热分解；④在火驱过程中，燃烧产生的热量会发生热传导，在纵向上形成中心温度最高、上下逐渐降低的温度场，受重力作用的影响，气体介质携带的热量更容易向上扩散，造成了温度场向上的扩展范围要大于下部。

4 结 论

(1) 通过对火驱取心井的岩心描述、原油特征、储层矿物特征的综合分析认为，杜66块火驱取心井970～980 m处为典型的高温氧化区带。

(2) 在高温氧化区带，原油族组分中饱和烃与芳烃含量增加，非烃与沥青质含量降低，饱和烃气相色谱图中主峰碳降低、轻重比增加，红外光谱中的含氧度参数增加，有机元素中的H/C原子比增加，这主要是因为原油在火驱高温作用下发生化学键的键裂反应以及加氧反应。

(3) 在高温氧化区带，储层中的碳酸盐矿物(白云石、方解石、菱铁矿)含量降低，黏土矿物中的高岭石、伊利石、绿泥石含量升高，伊蒙混层含量降低，这主要是储层矿物受热分解和高温条件下的相互转化造成的。