原油黏度變化影響因素概述

劉志明，向 晶，楊 真，王 莎，呂茂山

(1.中石化西北油田分公司塔河采油三廠，新疆 輪臺 841602；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

原油黏度變化影響因素概述

劉志明1，向 晶2，楊 真2，王 莎1，呂茂山1

(1.中石化西北油田分公司塔河采油三廠，新疆 輪臺 841602；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

從原油自身物性組成﹑表面活性劑（化學(xué)降粘劑）﹑外界物理因素三個方面論述了影響原油粘度變化的原因及作用機理，并結(jié)合油田現(xiàn)場實際生產(chǎn)工況，針對多種物理因素組合引發(fā)原油粘度異常變化進行了原因探究。

粘度；原 油物性；表面活性劑；溫度； 壓力

隨著石油開采程度的加深， 原油增稠﹑黏度變大成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。地層原油的黏度直接影響原油在地下的運移和流動，在油田開發(fā)過程中原油的黏度決定原油在地層中的滲流能力， 而在輸送過程中， 也影響它在管道中的流動能力。因此， 了解原油的黏度特點， 對準(zhǔn)確計算油井的產(chǎn)能，提高原油的采收率以及確定采用的原油集輸技術(shù)等都有重要的意義。

影響原油黏度變化的因素很多，歸納起來主要有3個因素：原油自身物性組成，如膠質(zhì)﹑瀝青質(zhì)﹑金屬元素含量；表面活性劑（化學(xué)降黏劑）；外界物理因素如溫度﹑壓力﹑含水率﹑氣泡等等。每一個因素彼此之間互相聯(lián)系﹑互相影響﹑互相作用，實際生產(chǎn)中，多種物理因素組合引發(fā)原油黏度異常變化。所以， 要較好地認(rèn)識某一特定區(qū)塊原油黏度變化原因，解決黏度變大給油井正常生產(chǎn)帶來的阻礙，必須全面考慮上述3個影響因素。

1 原油自身物性組成

1.1 膠質(zhì)瀝青質(zhì)對原油黏度影響

引起原油高黏度的實質(zhì)是其本身分子尤其是膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子，瀝青質(zhì)是一種可溶的﹑雜散的﹑極性的有機大分子，它是導(dǎo)致石油在油藏內(nèi)或采油生產(chǎn)以及儲運系統(tǒng)中沉積﹑乳化﹑聚合﹑結(jié)焦和黏度增高等現(xiàn)象的主要原因[1]。近年來對瀝青質(zhì)﹑膠質(zhì)的研究表明，膠質(zhì)﹑瀝青質(zhì)分子是原油中分子量最大且極性最強的組分，是由烷基支鏈和含雜原子的多環(huán)芳核和環(huán)烷芳核所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，含有大量的S﹑N﹑O等雜原子，分別以硫羥基﹑氨基﹑羥基﹑羧基等基團存在。這些基團之間常以氫鍵締合或者發(fā)生偶極作用，從而產(chǎn)生很強的內(nèi)聚力，使多個膠質(zhì)﹑瀝青質(zhì)分子聚集成層狀堆積狀態(tài)，當(dāng)原油分子間發(fā)生相對位移時可產(chǎn)生很大的內(nèi)摩擦力，表現(xiàn)出原油的高黏度[2-3]。膠質(zhì)分子與瀝青質(zhì)分子之間也可通過氫鍵相互連接﹑聚集，這些都將引起原油黏度的增加[4-5]。膠質(zhì)﹑瀝青質(zhì)含量多， 增大了液體分子的內(nèi)摩擦力， 使原油黏度增大， 甚至出現(xiàn)非牛頓流體的黏滯特性。

1.2 金屬雜質(zhì)含量對原油黏度影響

原油中含有少量的鈉﹑鈣﹑鎂﹑鐵﹑鎳﹑釩﹑銅和鉛等金屬元素，一般認(rèn)為原油中金屬元素的來源有3個方面：一是以乳化狀態(tài)分散于原油中的水所含的鹽類；二是懸浮于原油中的極細(xì)的礦物質(zhì)微粒；三是結(jié)合于有機化合物或絡(luò)合物[6]。盡管含量很低，原油開采及輸送過程中金屬雜質(zhì)的沉積，仍會引發(fā)原油性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致原油黏度變化。原油中的金屬如鎳和釩對其黏度影響最大，敬加強等[7]發(fā)現(xiàn)原油組成對其黏度影響的重要程度順序為：鎳＞釩=膠質(zhì)=殘?zhí)肌譃r青質(zhì)＞氮＞硫＞蠟，認(rèn)為金屬雜原子主要締合在瀝青質(zhì)與膠質(zhì)中，是影響原油黏度的主要內(nèi)在因素。一般來說，金屬元素含量越高，越容易沉積締合在瀝青質(zhì)與膠質(zhì)中，導(dǎo)致原油黏度大幅度增加。

2 表面活性劑對原油黏度影響

表面活性劑(surfactant)，是指具有固定的親水親油基團，在溶液的表面能定向排列，并能使表面張力顯著下降的物質(zhì)。表面活性劑分子結(jié)構(gòu)一般是由極性基和非極性基構(gòu)成，具有不對稱結(jié)構(gòu)。它的極性基易溶于水而具有親水性質(zhì)，故稱為親水基；而非極性基即長鏈烴基不溶于水易溶于油，因而具有親油性質(zhì)，故稱為親油基或疏水基。在原油輸送過程中，一般添加適當(dāng)?shù)慕的叼┛梢越档驮偷哪c和黏度，使其易于流動，加入表面活性劑則可以增強降黏劑分子在原油中的分散性﹑增溶性和滲透性，從而增強降黏效果。另一方面，表面活性劑分子由極性基團和非極性基團構(gòu)成，同時具有親油性和親水性，所以表面活性劑分子自身在原油中的分散和滲透也會對原油黏度產(chǎn)生一定影響。油水兩相體系中，表面活性劑的降黏機理[8]可歸結(jié)為3種：1)乳化降黏，是指表面活性劑使油包水型乳狀液反相成為水包油型乳狀液；2)破乳降黏，是指表面活性劑使油包水型乳狀液破乳而生成游離水而降黏；3)吸附降黏，是指將表面活性劑水溶液注入油井，使油管的原油膜表面形成連續(xù)的水膜而降黏。

3 外界物理因素對原油黏度的影響

3.1 溫度對原油黏度影響

溫度是影響地層原油黏度的主要因素，通常地層原油黏度隨溫度的升高而降低。這是由于溫度升高，地層原油體積膨脹，原油內(nèi)部分子間距離增加，相互之間的引力減小，一部分中間相態(tài)的碳?xì)浠衔镌诟邷叵掠梢合噢D(zhuǎn)為氣相，地層原油密度減小，地層原油黏度減小，原油流動阻力降低。當(dāng)溫度在初始析蠟溫度以上時，不同油田的地層原油與溫度關(guān)系是直線關(guān)系，只是直線斜率有所差異。

圖1 溫度與黏度變化關(guān)系

圖1中反映出隨溫度提高，原油黏度下降。當(dāng)溫度為20～60℃時，黏度下降較快，60℃以后，黏度變化趨勢變緩。耿宏章在研究原油黏度與溫度變化中認(rèn)為[9]，原油在不同溫度下黏度與溫度基本呈線性關(guān)系，黏度與溫度之間存在近似指數(shù)關(guān)系。高海港研究認(rèn)為[10]，當(dāng)溫度在凝點附近時溫度的增加對原油降黏效果較明顯，高于凝點后升溫的降黏效果減弱。綜合認(rèn)為原油黏度隨溫度升高而降低，反之黏度增加，黏度隨溫度改變的變化趨勢減弱，趨勢變?nèi)豕拯c隨原油物性組成不同而不同。

3.2 氣體含量

原油對氣體有一定的溶解能力，原油對氣體最大溶解能力成為原油的泡點壓力。當(dāng)原油中溶解一定的氣體時，原油物性發(fā)生改變，原油中分子間距離加大，分子間作用力變小，密度降低，原油流動性變好，原油黏度降低，在沒有外力作用下，原油黏度隨原油含氣量的增加黏度降低。如果存在外力作用，原油中的含氣量超過泡點壓力時，已沒有空間溶解氣體，原油受壓力作用，體積收縮，密度增加，分子間距變小，液層內(nèi)部摩擦力增大，因而黏度增加。當(dāng)壓力等于飽和壓力時，原油中溶氣量達到最大值，原油的組分達最佳組合，此時原油黏度值最低，或稱極小值。

3.3 壓力對原油黏度影響

原油黏度隨壓力的關(guān)系與原油中含氣量的多少有關(guān)。圖2﹑圖3分別為脫氣原油﹑含氣原油隨壓力的變化關(guān)系。

圖2 脫氣原油黏度隨壓力變化曲線

圖3 含氣原油粘度隨壓力變化曲線

圖2反映出，脫氣原油黏度隨壓力的提高黏度增大，基本呈線性關(guān)系，主要原因是壓力增加，對原油造成擠壓，導(dǎo)致原油中各組分分子間距變小，使原油密度增加，黏度變大。

圖3反映出，含氣原油黏度隨壓力的增加先降低，降低至一定程度后隨壓力的增加黏度變大。主要原因為含氣原油的黏度對壓力十分敏感，當(dāng)壓力低于飽和壓力時，隨壓力的上升，氣體溶入油中，改善了原油的組成，使原油黏度急劇下降。當(dāng)高于飽和壓力時，隨壓力的上升，原油黏度急劇上升，原因與氣體含量影響原油黏度相同。當(dāng)壓力等于飽和壓力時，原油中溶氣量達到最大值，原油的組分達最佳組合，此時原油黏度值最低，或稱極小值。

油田生產(chǎn)注氮氣或二氧化碳?xì)怏w提高油井采收率過程中，導(dǎo)致原油黏度增加，增加原油集輸難度的主要原因為注氣過程中注氣壓力較高，遠遠高于原油的的泡點壓力，導(dǎo)致原油黏度增大。

3.4 含水率變化對原油黏度影響

原油乳化理論認(rèn)為，原油中含水導(dǎo)致原油乳化，乳化程度不同導(dǎo)致原油黏度大小不同，乳化程度越高，黏度越大。原油乳化一般隨含水率的增加，乳化程度越嚴(yán)重，但當(dāng)含水率達到一定值時，乳化發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致原油黏度降低，此值即為乳化拐點，也可認(rèn)為黏度變化拐點。耿宏章在研究原油含水率與黏度變化關(guān)系時認(rèn)為[11]，原油黏度隨含水率的升高先呈上升趨勢， 達到一極大值后又呈下降趨勢， 隨后隨含水率的上升而下降， 此極值點為油水非乳化的拐點， 由于組分不同黏度-含水特性曲線不同，達到的極值拐點可能不同。圖4為不同含水率原油與黏度的變化關(guān)系。

圖4 含水率原油與黏度的變化關(guān)系

圖4反映出，原油黏度隨含水率上升原油黏度增大，但當(dāng)經(jīng)過原油乳化拐點后，原油黏度隨含水率的增加反而降低。該油樣黏度極值拐點在含水率35%～40%之間。

注氣井注入水蒸汽提高采收率時，不僅壓力較高增加原油黏度，在原油舉升靠近地面時，溫度下降，蒸汽轉(zhuǎn)化成水滴進入原油中，加劇了原油的乳化，導(dǎo)致原油黏度進一步增大。

孫夢茹[12]研究認(rèn)為，原油中輕烴組分溶于水是原油黏度上升的主要原因，隨著油﹑水接觸時間的增加，由于存在濃度差，油中的輕烴組分逐漸擴散到水中并達到平衡狀態(tài)。隨著濃度差的減小，擴散速度逐漸減慢，黏度增加趨勢變緩。含水率越高，原油中輕輕組分損失越多，黏度越大。

3.5 氣泡對原油黏度影響

原油在開采舉升過程中伴隨有大量的氣泡，氣泡存在對原油黏度影響通過室內(nèi)試驗可以驗證。往蒸餾水中加注少量起泡劑，產(chǎn)生大量起泡后，測定其黏度由10mPa·s左右上升至350～400mPa·s，可見氣泡的存在導(dǎo)致了原油黏度大幅提高。主要原因為原油中產(chǎn)生氣泡后，油樣處于混相狀態(tài)，運動過程不僅需要克服液阻效應(yīng)﹑氣阻效應(yīng)，還要克服氣液兩相運動時產(chǎn)生的摩擦阻力，導(dǎo)致原油黏度大幅度提高。

氣泡對原油黏度的影響與環(huán)境溫度聯(lián)系緊密，氣泡對外界環(huán)境溫度變化比較敏感，當(dāng)環(huán)境溫度較低，不易產(chǎn)生氣泡，氣泡體積變小，不易形成聯(lián)通氣泡；環(huán)境溫度較高時，容易產(chǎn)生氣泡，且形成較大的聯(lián)通氣泡，對流體動力黏度影響較大。

4 原油黏度異常變化原因探究

針對塔河油田部分摻稀井原油現(xiàn)場檢測黏度高于室內(nèi)檢測黏度，由于現(xiàn)場檢測溫度高于室內(nèi)檢測溫度，這一現(xiàn)象與溫度對黏度影響變化結(jié)論矛盾，同時部分黏度較大﹑含水率中低油井現(xiàn)場檢測黏度低于室內(nèi)檢測黏度，這一現(xiàn)象符合溫度對黏度影響變化的結(jié)論。針對這2種迥異的現(xiàn)象進行了室內(nèi)跟蹤探究。

通過表1看出，摻稀井混合液含水低，起始黏度小，舉升至井口過程產(chǎn)生大量氣泡；含水較高﹑起始黏度較大的生產(chǎn)油井，舉升至井口過程不易產(chǎn)生氣泡或產(chǎn)生少量氣泡。TH260﹑TH261井現(xiàn)場檢測黏度高于試驗室檢測黏度，現(xiàn)場油樣溫度高于試驗室，與溫度越高黏度越低矛盾；TK8現(xiàn)場檢測遠低于室內(nèi)檢測結(jié)果，與溫度越高黏度越低相符合。

從氣泡因素考慮，表1中數(shù)據(jù)顯示大量氣泡井原油現(xiàn)場檢測黏度遠高于室內(nèi)檢測黏度，氣泡的存在導(dǎo)致原油黏度大大增加，黏度較小的油樣氣泡的影響作用大于溫度對油樣黏度的影響，符合溫度變化對黏度影響分析。當(dāng)油樣黏度變小，溫度已不再是影響?zhàn)ざ茸兓闹饕蛩亍ｐざ容^大或含水較高的油井產(chǎn)生較少氣泡，氣泡對原油黏度的影響較小，溫度仍然是影響?zhàn)ざ茸兓淖钪饕蛩?。所以現(xiàn)場溫度高，檢測黏度比室內(nèi)高，與溫度越高黏度黏度越低不矛盾，主要是因為氣泡的存在，主要原因詳見氣泡對原油黏度影響分析。

表1 現(xiàn)場檢測與室內(nèi)檢測黏度變化

由TP8井黏度變化情況可以看出，檢測溫度不變，現(xiàn)場和室內(nèi)檢測黏度仍有很大變化，主要原因為含水率較高，使得從現(xiàn)場取樣至室內(nèi)過程原油進一步乳化，導(dǎo)致原油黏度增加，此時原油乳化是影響原油黏度變化的主要因素。

綜上所述，原油含水率低﹑黏度小，生產(chǎn)舉升過程中物性較易發(fā)生改變，伴隨大量氣泡產(chǎn)生。實際生產(chǎn)中，原油黏度同時存在多因素的影響，油樣黏度較低時，影響原油黏度變化的主要因素依次是：原油乳化（含水率較高）＞原油物性變化（氣泡影響）＞溫度變化；油樣黏度較高時，影響原油黏度變化的主要因素依次是：溫度變化＞原油乳化＞氣泡影響。

5 結(jié)語

影響原油黏度變化的因素很多，但是所有因素對黏度的影響都體現(xiàn)在改變原油的物性組成，每個油田的每個區(qū)塊，原油物性﹑原油組成及油藏的形成過程都有各自特點，因此各種因素對原油黏度變化影響也各異。在實際生產(chǎn)過程中，影響原油黏度變化存在多種因素，相互聯(lián)系又相互制約，因而對每一種原油黏度變化異常情況必須全面綜合分析，找出影響原油黏度變化的主要因素，才能快速解決現(xiàn)場生產(chǎn)難題。

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Effect Factors Summarization of Crude Oil Viscosity Change

LIU Zhi-ming1, XIANG Jing2, ZHANG Pei2, WANG Sha1, LYU Mao-shan1
(1.The Third Oil Plant, Northwest Oilf i eld Branch Company, Sinopec，Lunta i 841602, China; 2.College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

The cause and action mechanism which affected the crude oil viscosity change, included crude oil physical properties, surfactant and physical factors, were discussed. Combined with actual production conditions of oilf i eld, aimed at the multi physical inf l uence factors, the reason which caused the anomalous change of crude oil viscosity, was explored.

viscosity; crude oil physical property; surfactant; temperature; pressure

TE 345

A

1671-9905(2014)11-0036-04

劉志明，男，助理工程師，現(xiàn)從事油田化學(xué)研究工作，地址：中石化西北油田分公司塔河采油三廠，E-mail：286114911@qq.com

2014-09-24