伊朗Y油田輕質(zhì)油瀝青質(zhì)沉積的預(yù)測分析

寧俐（中石化國際石油勘探開發(fā)有限公司 北京 朝陽區(qū) 100029）

在油氣開采過程中,原油瀝青質(zhì)在儲層巖石表面上的吸附會導(dǎo)致潤濕性從親水向親油方向的改變,從而造成儲層巖石的油相相對滲透率下降[1]。在一定熱力學(xué)條件下,瀝青質(zhì)會在巖石孔隙表面發(fā)生沉積,導(dǎo)致有機(jī)垢的生成,從而堵塞一部分儲層孔喉,造成儲層的絕對滲透率下降。油田生產(chǎn)過程中由于瀝青質(zhì)沉淀造成的危害,近十余年在國外已受到廣泛重視,是研究的熱點(diǎn)問題之一[2,3]。瀝青質(zhì)沉淀對石油生產(chǎn)的危害主要表現(xiàn)在:在石油開采與運(yùn)輸過程中,瀝青質(zhì)等重組分的沉積,既可能產(chǎn)生于油藏和井筒中,又可能生成在分離器、油泵、管道、換熱器、油罐等設(shè)備中。原油在管道中流動,隨著溫度和壓力的下降,瀝青質(zhì)沉積在管道底部,嚴(yán)重影響了管道的輸油效率。即使輕微的瀝青質(zhì)沉積也會使生產(chǎn)操作變得困難,降低生產(chǎn)運(yùn)行效率,沉積嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致油井報(bào)廢或管道堵塞。為了防止管道堵塞,必須加入瀝青質(zhì)清除劑或進(jìn)行清管操作,使生產(chǎn)維修費(fèi)用大幅提高[4],并嚴(yán)重影響了管道的正常運(yùn)行。

一、伊朗Y油田儲層特性分析（Iran Y oilfield reservoir property analysis）

根據(jù)Y油田早期鉆探的取心井的巖心樣品水平方向和垂直方向分析結(jié)果，如下表1所示：

?

?

滲透率(md)儲層類別孔隙度(%)分級分級高滲、特高滲中滲低滲特低滲Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅳ類≥2012-204-12＜4高孔、特高孔中孔低孔特低孔≥10010-1001-10＜1

上表為S層308塊巖心樣品，F(xiàn)層66塊巖心樣品水平方向分析結(jié)果（表1），根據(jù)碳酸鹽巖儲層分類標(biāo)準(zhǔn)（表2），S層和F層均屬于中低孔、低滲儲層。

從Y油田早期鉆探的井中獲得主力油層S層和F層一些地面原油基本數(shù)據(jù)，見表3：

表3 原油流體性質(zhì)

地面原油性質(zhì)分析結(jié)果表明，相同區(qū)塊不同層組之間地面原油性質(zhì)差異較大，而相同層組不同區(qū)塊之間地面原油性質(zhì)相近。S油層為重質(zhì)油，具有高粘度、低凝固點(diǎn)、含硫高、含蠟、含瀝青質(zhì)的油藏特點(diǎn)；F油層為輕質(zhì)油，具有低粘度、低凝固點(diǎn)、含硫、高含蠟、含瀝青質(zhì)的油藏特點(diǎn)。結(jié)果顯示在F油藏中瀝青質(zhì)沉淀的幾率要大于S油藏。

二、瀝青質(zhì)沉積預(yù)測分析（Analysis and prediction of asphaltene deposition）

要對原油中瀝青質(zhì)的沉積采取有效的預(yù)防措施,首先需清楚三個(gè)問題，即原油中瀝青質(zhì)發(fā)生沉積的原因，條件以及是否足以造成傷害。

本文對Y油田原油進(jìn)行了物性分析，應(yīng)用了S A R A組成分析方法，粘度法和熱力學(xué)模型及對瀝青質(zhì)的沉積問題進(jìn)行了預(yù)測。

1.物性分析（Physical property analysis）

目前公認(rèn)的瀝青質(zhì)的定義[5]是原油中不溶于低級正構(gòu)烷烴(n C5～n C7)而溶于芳香烴(苯、甲苯、二甲苯等)的一類有機(jī)化合物。瀝青質(zhì)是一種主要由碳、氫元素組成,同時(shí)含有氮、氧、硫等非金屬元素及少量鎳、釩、鐵等金屬元素組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物,其分子結(jié)構(gòu)和分子量等均不確定。膠質(zhì)是室溫下溶于正構(gòu)烷烴、苯和甲苯而不溶于乙酸乙酯的原油組分,其分子比瀝青質(zhì)小得多[6]。在正常的油藏條件下,膠質(zhì)—瀝青質(zhì)—原油處于一種動平衡狀態(tài)。但當(dāng)原油體系溫度、壓力或原油各組分含量及酸堿度發(fā)生變化時(shí)，將會導(dǎo)致該動態(tài)平衡被破壞，從而產(chǎn)生瀝青質(zhì)的沉淀，所以儲層溫度、壓力下降、混相驅(qū)或CO2驅(qū)或酸化作業(yè)等均可能導(dǎo)致瀝青質(zhì)絮凝和沉積[7]。

表4 原油組成與性質(zhì)

根據(jù)流體成分，可得出原油和C7組分的原子重量，所有成分的摩爾數(shù)等。由上表可見，F(xiàn)層的C1（甲烷）的含量遠(yuǎn)高于S層，F(xiàn)層的C7+含量較S層低。

2.原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香烴和飽和烴含量測定（SARA）（SARA test of crude oil）

瀝青質(zhì)是原油中易溶于芳香類化合物而不溶于低分子烷烴的有機(jī)混合物,因此原油的組成和芳香度影響瀝青質(zhì)的沉積。

Newberry等人[8]提出了一種S A R A方法來確定原油發(fā)生瀝青質(zhì)沉積的可能性,其中S表示原油中飽和烴(saturates)的含量,第一個(gè)A表示芳香烴(aromatics)含量,R表示膠質(zhì)(resins)含量,第二個(gè)A表示瀝青質(zhì)(aspHaltenes)含量。先用下式計(jì)算膠體不穩(wěn)定指數(shù)CI:

C I=[w(飽和烴)+w(瀝青質(zhì))]/[w(膠質(zhì))+w(芳香烴)](1)

式中w為各組分在原油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如果C I≥0.9,則這種原油易發(fā)生瀝青質(zhì)沉積。其原理如下:

瀝青質(zhì)沉積主要取決于體系的熱力學(xué)狀態(tài)即溫度、壓力和原油組成。在組成上,原油的膠溶性即保持瀝青質(zhì)處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)的能力,取決于原油中石蠟、芳香烴和膠質(zhì)的相對含量。Mclean等人[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)原油的芳香度低于40%時(shí),瀝青質(zhì)就會以聚集體或顆粒形式析出并沉積。膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的質(zhì)量比越小,瀝青質(zhì)沉積的可能性越大。隨壓力下降,在泡點(diǎn)壓力附近瀝青質(zhì)沉積量出現(xiàn)最大值。油藏的欠飽和程度越大,油藏原油中瀝青質(zhì)沉積的可能性越大。中輕質(zhì)原油雖然瀝青質(zhì)含量很低,但由于膠質(zhì)含量也低,發(fā)生瀝青質(zhì)沉積的可能性有時(shí)可能大于重質(zhì)原油。

表5 原油中SARA含量測定表

圖1 原油中SARA含量圖

由計(jì)算得知C I=1.92≥0.9，原油的芳香度為29.1%低于40%，瀝青質(zhì)就會以聚集體或顆粒形式析出并沉積，因此Y油田油藏易發(fā)生瀝青質(zhì)沉積。

3.瀝青質(zhì)的絮凝（Asphaltene flocculation）

Leontaritis等人[10]指出,瀝青質(zhì)在沉積之前首先發(fā)生絮凝,當(dāng)吸附在瀝青質(zhì)表面的膠質(zhì)被溶解后,帶電的極性瀝青質(zhì)分子就會通過靜電作用聚集在一起,形成絮凝體,隨著絮凝體不斷增加,形成大的空間膠體,由于絮凝的瀝青質(zhì)帶有正電荷和極性,極易吸附在帶負(fù)電的巖石礦物表面,因此會在巖石表面形成沉積。當(dāng)原油中瀝青質(zhì)在儲層中發(fā)生絮凝時(shí),某些大尺寸的瀝青質(zhì)微粒便首先在孔喉處沉積下來,其它較小尺寸的微粒則隨流體一起運(yùn)移，當(dāng)運(yùn)移至與其尺寸相匹配的孔喉處,便會再次沉積下來,從而堵塞儲層孔隙喉道，降低儲層滲透率。

圖2 出現(xiàn)瀝青質(zhì)絮凝的壓力（134.9℃）

圖3 原油中瀝青質(zhì)沉淀量與壓力曲線圖

原油從油藏流向井底,再上升至地面的過程中,壓力不斷下降。在此過程中原油中輕烴組分體積增加較多,膠質(zhì)不斷被溶解,從而使瀝青質(zhì)溶解度降低,沉積量增加。在壓力低于泡點(diǎn)壓力以后,隨壓力進(jìn)一步下降,輕烴組分以氣體的形式散出,正烷烴的濃度降低,瀝青質(zhì)溶解度增加,沉積量減少。因此,瀝青質(zhì)開始沉積總是發(fā)生在壓力高出泡點(diǎn)時(shí),在泡點(diǎn)壓力附近沉積量最大。油藏的欠飽和程度越大,輕烴組分膨脹趨勢越大,瀝青質(zhì)發(fā)生沉積的可能性和沉積量也就越大[11～13]。

實(shí)驗(yàn)得出瀝青質(zhì)的絮凝初始壓力為6139psi,當(dāng)壓力達(dá)到3780psi左右，瀝青質(zhì)沉積量達(dá)到最大。

4.熱力學(xué)模型（Thermodynamicmodel）

假設(shè)瀝青為單一擬組分，我們把瀝青質(zhì)的沉淀的相態(tài)做為一個(gè)固相基本模型，我們基于液-固相守恒定律來研究瀝青質(zhì)沉淀的行為。則瀝青質(zhì)的逸度[14-16]為：

fa,fa*---分別相應(yīng)于壓力P和P*的純?yōu)r青相的逸度(KPa);

Va---瀝青相的摩爾體積(m3/kmol).

R---通用氣體常數(shù)(8,314KPam3/kmol K).

T---溫度(K).

利用這個(gè)公式，我們計(jì)算了各層的瀝青質(zhì)沉淀的初始溫度和壓力:

表6 瀝青質(zhì)沉淀的初始溫度和壓力

通過熱力學(xué)模型計(jì)算出S層與F層瀝青質(zhì)沉積的初始壓力分別為5000psi左右和6000psi左右。

三、結(jié)論（Conclusions）

原油中瀝青質(zhì)的沉積是采油過程中儲層損害的主要原因之一，它對儲層的損害形式包括孔喉堵塞、潤濕反轉(zhuǎn)和微粒運(yùn)移等,最終導(dǎo)致巖石絕對滲透率和油相有效滲透率下降,原油流動阻力增大,油井產(chǎn)能降低。本文對伊朗Y油田的瀝青質(zhì)的預(yù)測和分析為將來正式投產(chǎn)做一個(gè)保障，并由此制定出正確可行的操作規(guī)范和消除方法來預(yù)防此類問題發(fā)生。

(1)針對Y油田所進(jìn)行的對于瀝青質(zhì)的預(yù)測分析，通過S A R A法測試計(jì)算結(jié)果表明，Y油田會面臨很大的瀝青質(zhì)絮凝和沉積的危險(xiǎn)。

(2)實(shí)驗(yàn)得出瀝青質(zhì)的絮凝初始壓力為6139psi,當(dāng)壓力達(dá)到3780psi左右，瀝青質(zhì)沉積量達(dá)到最大。通過熱力學(xué)模型計(jì)算出S層與F層瀝青質(zhì)沉積的初始壓力分別為5000psi左右和6000psi左右。

(3)瀝青質(zhì)的絮凝和沉積主要是石油開采過程中溫度、壓力以及原油組分等熱力學(xué)條件發(fā)生改變引起的。盡量將油藏的熱力學(xué)狀態(tài)控制在瀝青質(zhì)沉積的包絡(luò)線以外,是預(yù)防這類損害的有效途徑。

(4)瀝青質(zhì)沉積析出造成的儲層損害是永久性的、不可逆的,因此對原油中瀝青質(zhì)的絮凝和沉積采取有效的預(yù)防措施是至關(guān)重要的。生產(chǎn)過程中應(yīng)注入適合的化學(xué)劑，進(jìn)行有效地預(yù)防或減緩瀝青質(zhì)的沉積。

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