原油凝點(diǎn)測定中出現(xiàn)的問題及對策

羅海靜 陳昱松 賀珊 孟飛 楊楠

1玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院

2西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院

3玉門油田分公司老君廟采油廠

4中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司

在油田勘探開發(fā)過程中，需要通過對原油性質(zhì)分析來及時(shí)了解單井、聯(lián)合站和油庫中原油的一般性質(zhì)，掌握原油的性質(zhì)變化規(guī)律和動態(tài)?？碧介_發(fā)中的原油通常沒有經(jīng)過穩(wěn)定處理，很多含蠟原油對加熱、剪切等歷史較敏感；有些原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，原油黏稠，流動性差；有些原油添加各種化學(xué)試劑；還有些原油含水、含砂、含雜質(zhì)，分離難度大。上述因素?zé)o形中增加了有效測定試樣凝點(diǎn)的難度。針對原油凝點(diǎn)測試中出現(xiàn)的測試不準(zhǔn)、重復(fù)性差等問題，從原油流變學(xué)角度分析了其影響因素，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的原油特點(diǎn)和現(xiàn)有儀器設(shè)備狀況提出改進(jìn)措施，從而提高原油凝點(diǎn)測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

1 原油凝點(diǎn)測定中出現(xiàn)的問題分析

原油是分子大小不同的各種烴類、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的混合物。含蠟原油的組成復(fù)雜，其流變性主要與其組成有關(guān)，還與經(jīng)歷的熱歷史、剪切歷史、剪切作用時(shí)間相關(guān)，其中蠟的組成、含量、性質(zhì)及其在原油中的形態(tài)是導(dǎo)致原油流變性復(fù)雜的根本原因[1]。對原油流變學(xué)知識缺乏了解，對流變測量和數(shù)據(jù)處理缺乏正確認(rèn)識，或在實(shí)驗(yàn)操作上的失誤會導(dǎo)致原油凝點(diǎn)測定中出現(xiàn)結(jié)果重復(fù)性差、準(zhǔn)確性低的問題。

1.1 觀察方法和時(shí)間的不同造成差異

凝點(diǎn)是指在規(guī)定條件下油樣冷卻至停止移動的最高溫度，我國原油凝點(diǎn)測定采用GB/T 510—1983《石油產(chǎn)品凝點(diǎn)測定法》和SY/T 0541—2009《原油凝點(diǎn)測定法》。國標(biāo)規(guī)定，將試樣裝好，50 ℃±1 ℃預(yù)熱，室溫冷卻至35 ℃±5 ℃后放入冷浴，冷卻至預(yù)期溫度時(shí)將試管傾斜45 ℃保持1 min，觀察液面是否移動。行標(biāo)規(guī)定，將預(yù)熱后的試樣裝入試管，階梯降溫至高于預(yù)期凝點(diǎn)8 ℃時(shí)，每降2 ℃觀測一次試樣的流動性，直至將試管水平放置5 s而試樣不流動時(shí)的最高溫度為凝點(diǎn)。在預(yù)熱溫度、降溫速率等相同的情況下，觀察方式、時(shí)間的不同，兩種測定方法會呈現(xiàn)不同的結(jié)果。一些油樣在水平放置5 s時(shí)沒有移動跡象，但在傾斜45°接近1 min時(shí)會微傾流。

1.2 觀察次數(shù)引起差異

由于井位不同或同一口井層位變遷，添加不同藥劑，以及原油脫水、混合或其他措施，實(shí)驗(yàn)室不能對各作業(yè)區(qū)送來油樣的凝點(diǎn)范圍有明確的認(rèn)識，凝點(diǎn)錯(cuò)估導(dǎo)致觀察次數(shù)增加。而在用行標(biāo)做樣過程中發(fā)現(xiàn)，觀察次數(shù)也會影響一些油樣的凝點(diǎn)測定結(jié)果，這些偏差迫使實(shí)驗(yàn)人員不得不裝更多支的油樣來提高實(shí)驗(yàn)精確性。

含蠟原油流變性對熱力和剪切等條件比較敏感，特別是加劑或物理手段改性的含蠟原油，即使是熟練的操作者也需精心操作，才能得出準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的結(jié)果[2]。一些含蠟原油對剪切歷史比較敏感，特別是在析蠟高峰區(qū)范圍內(nèi)的移動觀察、傾倒造成的擾動剪切，會干擾、破壞絮凝狀蠟晶發(fā)展成穩(wěn)定三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的進(jìn)程，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。剪切作用對改性原油和未改性原油的影響規(guī)律并不相同：對于改性含蠟原油，剪切作用往往對改性效果起破壞作用而使原油凝點(diǎn)上升；對于未改性原油，在蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于形成的較低溫度下，施加剪切作用則妨礙蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步形成，反而使原油的凝點(diǎn)有所下降[3]。

1.3 反復(fù)溫升產(chǎn)生差異

原油的流動性具有多重屬性，它與原油含蠟量、蠟晶的析出與聚集有關(guān)。熱歷史和剪切歷史通過影響蠟晶形態(tài)和結(jié)構(gòu)來影響含蠟原油的流變性質(zhì)，一些油樣在實(shí)驗(yàn)室室溫已凝固，在預(yù)熱、室溫冷卻后放入儀器后測出的凝點(diǎn)卻低于室溫。

凝點(diǎn)是以溫度來評價(jià)原油流變性的重要條件性指標(biāo)，是原油物理狀態(tài)發(fā)生改變的溫度分界點(diǎn)，重復(fù)溫升會使含蠟原油的物性發(fā)生改變。這里的重復(fù)溫升不單是實(shí)驗(yàn)中的試樣重新預(yù)熱，還有實(shí)驗(yàn)前油樣預(yù)處理，取送樣過程環(huán)境溫度變化等。原油被加熱，蠟晶顆粒部分或全部溶解，瀝青質(zhì)分散，膠質(zhì)稀化，分子熱運(yùn)動加速，在其他條件相同的情況下，這種復(fù)雜體系被冷卻，會呈現(xiàn)與加熱溫度、降溫速度相對應(yīng)的流變性。加熱溫度不同，加熱次數(shù)的變化都會影響含蠟原油的凝點(diǎn)，國標(biāo)允許的反復(fù)溫升會惡化含蠟原油的低溫流動性，造成實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性差。

1.4 冷卻速率影響測定結(jié)果

國標(biāo)對冷卻速度沒有明確要求，行標(biāo)要求以0.5～1 ℃/min的冷卻速度冷卻。原油在冷卻過程中，蠟以結(jié)晶形式析出長大。冷卻速度不同將影響到晶核的生成速度與蠟晶的生長速度的相對大小，在接近蠟晶析出的溫度或析蠟點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，冷卻速度的差異將這種影響擴(kuò)大。一些輕質(zhì)的無水含蠟原油（例如酒東外輸原油），密度在0.830 0 g/cm3左右，含蠟量高于10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在較低的室溫下流動，按行標(biāo)做出的凝點(diǎn)卻高于室溫凝點(diǎn)，降溫速率不同導(dǎo)致了凝點(diǎn)偏差。多數(shù)情況下，急冷會使晶核的生成速度過大，蠟還來不及在晶核完全析出或析出長大，原油中產(chǎn)生大量細(xì)小結(jié)晶，形成致密的蠟晶結(jié)構(gòu)，致使原油凝點(diǎn)偏高[1]。

1.5 膠質(zhì)和瀝青質(zhì)影響測定結(jié)果

蠟含量高的一般是稀油，特別是密度低于0.850 0 g/cm3的原油。原油偏稠時(shí)往往膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，對應(yīng)的密度、黏度大。在合適的條件下，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的活性能改善原油中的蠟結(jié)構(gòu)從而改善含蠟原油的流變性。含蠟原油在降溫過程中蠟晶逐漸析出，游離的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)吸附在新生的蠟晶表面，對防止蠟晶聚集起到分割作用，并降低了蠟晶的表面能，從而降低了凝結(jié)強(qiáng)度。

原油中蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量比直接影響原油的凝結(jié)和凝結(jié)強(qiáng)度[1]，當(dāng)膠蠟比超過適宜范圍，大分子高極性的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的增黏作用將變得突出，黏壁作用使原油流變性變差[4]。一些膠質(zhì)含量較高、蠟含量較低的原油，冷卻降溫時(shí)蠟的結(jié)晶速度較慢，實(shí)驗(yàn)時(shí)微微傾斜試管看似凝固，但時(shí)間一長或傾斜幅度增大就會傾流，不易凝固，實(shí)際測得凝點(diǎn)比“看似凝固”的溫度偏低。

1.6 實(shí)驗(yàn)前油樣制備引起凝點(diǎn)變化

（1）油樣預(yù)處理。一些含水達(dá)標(biāo)的原油，在油樣的運(yùn)輸和存放中，由于環(huán)境溫度等的變化，原油可能分層或析出蠟晶并黏附在桶內(nèi)壁上，致使桶內(nèi)原油不均勻，因此做樣前要進(jìn)行油樣預(yù)處理。在實(shí)驗(yàn)室先將桶內(nèi)原油充分?jǐn)嚢杈鶆?，必要時(shí)需連同容器一起預(yù)熱，使瓶內(nèi)原油靠分子熱運(yùn)動達(dá)到均勻狀態(tài)，然后分裝到較小的磨口瓶內(nèi)靜置，自然冷卻至室溫，并密封存放于環(huán)境溫度變化較小處48 h以上[5]，可作為組成相同的基礎(chǔ)油樣。油樣預(yù)處理的目的是使油樣具有相同的組成和相同的初始狀態(tài)，保證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重復(fù)性和可比性。經(jīng)預(yù)處理過的油樣，隨著存放時(shí)間的延長，會因自身的物理、化學(xué)作用以及外部條件的影響而老化。不同組成的原油隨存放時(shí)間而老化的程度不盡相同。對已預(yù)處理的油樣，要在有效期內(nèi)盡快完成分析項(xiàng)目。

原油預(yù)處理時(shí)對油樣進(jìn)行了加熱，加熱溫度的不同會導(dǎo)致原油冷卻重結(jié)晶的起始狀態(tài)不同。溫度選擇的原則是該溫度能使其所含蠟全部溶解，所含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)全部游離出來，但不同的原油具有不同的含蠟量，所含蠟分子組成亦不相同，使蠟全部溶解的溫度各不相同。一些文獻(xiàn)認(rèn)為中溫段（50～60 ℃）的熱處理會使含蠟原油凝點(diǎn)惡化，高溫段(70～95 ℃)的熱處理則可以大幅降低含蠟原油凝點(diǎn)[6]。也有文獻(xiàn)指出實(shí)驗(yàn)時(shí)重復(fù)加熱至上一次熱處理溫度時(shí)油品的物性可以得到恢復(fù)，當(dāng)重復(fù)加熱的溫度低于上一次熱處理溫度時(shí)，油品的物性可能發(fā)生惡化[7]。

（2）實(shí)驗(yàn)室原油脫水。送到實(shí)驗(yàn)室的原油大多含水、含鹽，有些還含氣、含砂、含雜質(zhì)。《原油凝點(diǎn)測定法》和《旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)平衡法》要求原油含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%；《原油餾程測定》則要求原油含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.2%，這就意味著很多油樣需要嚴(yán)格脫水。油樣在實(shí)驗(yàn)室密封沉降，分離游離水后，取樣測定含水，如果含水超過要求就需要進(jìn)行原油脫水。

原油中的輕組分對原油的密度、凝點(diǎn)、黏度及低溫流變性都會產(chǎn)生影響。類似環(huán)慶原油這類稀油在脫水過程中易揮發(fā)流失輕組分。另外，原油的流變性還有依賴于時(shí)間的屬性[1]，規(guī)定原油實(shí)驗(yàn)室脫水后要經(jīng)過48 h才能取樣測定凝點(diǎn)。

2 提高原油凝點(diǎn)測定準(zhǔn)確性的措施

隨著對原油流變特性認(rèn)識的逐步深入，認(rèn)為國標(biāo)不適用于對熱歷史和剪切歷史敏感的油樣。行標(biāo)要求裝樣2～4支，不允許將試樣重新預(yù)熱，增加了預(yù)熱溫度的選擇，實(shí)驗(yàn)方法更趨于規(guī)范、科學(xué)，在原油凝點(diǎn)測定中日漸得到認(rèn)可和推廣。

2.1 改進(jìn)預(yù)期凝點(diǎn)設(shè)置

原油凝點(diǎn)測定實(shí)驗(yàn)方法中對觀察次數(shù)并沒有明確規(guī)定，在分析項(xiàng)目繁雜、分析任務(wù)多的情況下需要有一些簡便、有效的方法來確定預(yù)期凝點(diǎn)范圍，減少觀察次數(shù)對測定結(jié)果的影響。

（1）凝點(diǎn)粗估。方法規(guī)定，常溫下凝固的原油樣品應(yīng)加熱到高于其凝點(diǎn)至少10 ℃的溫度進(jìn)行黏度測定，那么用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測得第一個(gè)穩(wěn)定正常黏度值時(shí)的溫度往下降10 ℃可作為預(yù)設(shè)凝點(diǎn)。

密度測定中要求原油樣品要加熱到20 ℃或高于傾點(diǎn)9 ℃以上，或高于濁點(diǎn)3 ℃以上中較高的一個(gè)溫度。一些水浴溫度超過20 ℃仍不能完全化開的油樣，隨著溫度的升高逐步接近牛頓流體，這時(shí)取測得穩(wěn)定密度數(shù)值時(shí)的溫度點(diǎn)往下降11～12 ℃也可作為一個(gè)預(yù)估凝點(diǎn)。需要指出的是，原油凝點(diǎn)和傾點(diǎn)的關(guān)系不具有平行一致性，也不是一般認(rèn)為的相差3 ℃左右，這里只做粗估。

（2）“凍熔法”預(yù)估凝點(diǎn)。一些密度在0.820 0～0.850 0 g/cm3的含蠟原油，可以將試樣裝好直接放入存樣柜冷凍，待凍實(shí)后取出，室溫觀察，比出現(xiàn)微熔傾流的溫度點(diǎn)更低的前一個(gè)觀測溫度值即可作為預(yù)估凝點(diǎn)，這種方法多次在實(shí)驗(yàn)室使用，快速便捷，具有一定的實(shí)用性。

冷卻速度低于一定的范圍對熱處理效果影響不大，在急冷階段，冷卻速率不可大于5 ℃/min[1]。冷卻速度對蠟晶的形成有影響，快速冷卻幾乎看不到熱處理的效果，所以此處不做預(yù)熱。在觀察是否凍實(shí)的過程中不能將看到的凝固點(diǎn)判為凝點(diǎn)，即使在該溫度以上2 ℃曾觀察到并未凝固。存樣的冰柜溫度在0 ℃以下，試樣放在其中實(shí)際是一個(gè)快速冷凍過程。多數(shù)情況下，急冷會使晶核的生成速度過大，凝點(diǎn)偏高。不能因幾次數(shù)據(jù)的“差不多”，就認(rèn)為原油凍熔時(shí)，冷凍觀測到的凝固溫度或熔化前的那個(gè)凝固溫度與按行標(biāo)試驗(yàn)得到的凝點(diǎn)一樣。

（3）凝點(diǎn)預(yù)判。在長期的實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，一些輕質(zhì)含蠟原油即將凝固時(shí)，仔細(xì)觀察也會看到溫度下降變緩時(shí)段出現(xiàn)一個(gè)短暫“停滯期”，隨后溫度又下降變快，下降變快前的溫度很可能是凝點(diǎn)。參考石蠟熔點(diǎn)（冷卻曲線）的測定方法（GB/T 2539—2008），在石蠟冷卻過程中每15 s記錄一次溫度，當(dāng)冷卻曲線第一次出現(xiàn)停滯期時(shí)，其連續(xù)5個(gè)讀數(shù)的平均值即為所測試樣的熔點(diǎn)。該方法尤其適用于鏈烷烴含量相當(dāng)高或結(jié)晶型的石油蠟。含有大量同一溫度下結(jié)晶的試樣在冷卻過程中釋放出熔化熱，暫時(shí)延緩了冷卻速率，在冷卻曲線上形成停滯期。含有大量異構(gòu)烷烴或非結(jié)晶型的石油蠟一般不出現(xiàn)停滯期。物質(zhì)的熔化和凝固互為逆過程，鏈烷烴含量很高或含結(jié)晶型石油蠟的原油在降溫凝結(jié)過程出現(xiàn)的短暫“停滯期”可能與原油的結(jié)晶潛熱釋放有關(guān)。這種短暫“停滯期”在煉廠油品凝點(diǎn)分析中出現(xiàn)的概率較多，一些輕質(zhì)高含蠟原油可試用此法來預(yù)判凝點(diǎn)，以避免盲目地取出油樣，減少觀察次數(shù)。

（4）預(yù)設(shè)偏低。瀝青質(zhì)是原油中相對分子質(zhì)量最大、極性最強(qiáng)的非烴組分，膠質(zhì)是原油中相對分子質(zhì)量和極性僅次于瀝青的非烴組分。在密度測量時(shí)留心觀察油樣的稀稠程度，或通過清洗量筒壁黏附殘油的難易來判斷膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量的高低。原油做餾程時(shí)，經(jīng)加熱控制一定的蒸餾速度，根據(jù)各溫度的餾出量，也可以了解原油中輕重組分的含量。對膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高的原油，預(yù)期凝點(diǎn)設(shè)置時(shí)要有意識偏低一些，盡量減少觀察和傾倒次數(shù)，為了避免擾動造成的“要凝不凝”，很有必要多裝幾只試樣。

2.2 減少溫升次數(shù)和溫度差異

由于《原油凝點(diǎn)測定法》規(guī)定把油樣預(yù)熱至50 ℃±1 ℃，在特定條件下可不預(yù)熱。實(shí)驗(yàn)室為了減少油品物性惡化，反映原油的真實(shí)性質(zhì)，多選擇50 ℃±1 ℃作為預(yù)處理溫度，極少數(shù)難化開的油樣則依據(jù)本地域油樣特性和現(xiàn)有水浴實(shí)驗(yàn)條件選擇了70 ℃±1 ℃。一些室溫流動的油樣，少有黏壁現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)室對這些油樣沒有做50 ℃±1 ℃預(yù)處理，做樣前攪拌均勻即可。

2.3 嚴(yán)格降溫速率

組成不同的原油，即使是同一種含蠟原油，由于蠟分子大小分布不同，碳數(shù)分布差異導(dǎo)致不同的溫度區(qū)間對冷卻速率的感受性不同[8]，不能以簡單有限的幾個(gè)數(shù)據(jù)得出規(guī)律來類推結(jié)果。為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性要保持降溫模式的一致性，行標(biāo)對冷卻速度做出明確的限定規(guī)范，即使是冬季室溫較低，室溫下會凝固的油樣仍需用冷卻儀器來測定凝點(diǎn)。

2.4 減少輕組分揮發(fā)

一些脫水處理過的原油內(nèi)含有常溫常壓下為氣態(tài)的溶解氣，需要經(jīng)過穩(wěn)定處理，較徹底地脫除原油內(nèi)蒸汽壓高的溶解天然氣組分[1]。經(jīng)過穩(wěn)定處理的原油組分會發(fā)生變化，輕組分對原油的凝點(diǎn)會產(chǎn)生影響。環(huán)慶原油多含有溶解氣，需要裝入磨口瓶密閉保存。為減小輕組分揮發(fā)空間，裝樣時(shí)盡可能裝滿后密封，打開后要盡快分析，確保更接近油樣實(shí)際狀況，以利于數(shù)據(jù)的對比分析工作。

當(dāng)熱歷史和剪切歷史共同作用于含蠟原油時(shí)，熱歷史對凝點(diǎn)的影響較剪切歷史更明顯[9]。因而實(shí)驗(yàn)室蒸餾法原油脫水時(shí)，更側(cè)重于關(guān)注控制脫水溫度、減少輕組分流失，并且為保證原油脫水后油樣的分析質(zhì)量，要求原油脫水前預(yù)熱和脫水后放樣溫度都不能高于50 ℃。

實(shí)驗(yàn)室對原油的脫水要盡可能使原油性質(zhì)不發(fā)生變化，因此不能加化學(xué)破乳劑，且不宜采用太高的溫度和太高的壓力。實(shí)驗(yàn)室實(shí)際設(shè)定的脫水溫度多在120 ℃以下，以110 ℃左右居多，具體可根據(jù)原油稀稠、做含水時(shí)蒸餾出水難易、前后期出水情況和含水量多少來斟酌確定脫水儀脫水參數(shù)。相對較稀的原油，含水量大，可適當(dāng)增加脫水時(shí)間；如果含鹽高、出水難，則延長脫水時(shí)間，同時(shí)略微提高脫水溫度。對稠油和特稠油，如果測含水時(shí)發(fā)現(xiàn)出水不易，耗時(shí)長，即使含水不是很大，也要更多地提高脫水溫度，適當(dāng)增加脫水時(shí)間。泥砂多、黏度大的原油，在脫水結(jié)束后額外靜置沉降一段時(shí)間再放樣，放樣時(shí)盡可能截去脫水過程產(chǎn)生的水和固體雜質(zhì)。應(yīng)依據(jù)已有的大量數(shù)據(jù)和對規(guī)律的認(rèn)識，以脫水效果好、不改變原油性質(zhì)為原則，合理設(shè)置脫水參數(shù)。

3 結(jié)束語

由于實(shí)驗(yàn)方法的不完善和對含蠟原油流變學(xué)認(rèn)識的膚淺，以及相關(guān)問題認(rèn)識上存在偏差，導(dǎo)致勘探開發(fā)研究中實(shí)驗(yàn)室原油凝點(diǎn)測定不易獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如果缺乏基本的理論知識和熟練的操作技能，機(jī)械照搬實(shí)驗(yàn)規(guī)范，很難準(zhǔn)確測試含蠟原油的凝點(diǎn)。對每一種新原油，需通過大量重復(fù)性測試，積累大量的數(shù)據(jù)來加深對規(guī)律的認(rèn)識，掌握原油流變性規(guī)律。通過剖析實(shí)驗(yàn)室原油凝點(diǎn)測試中存在的問題，總結(jié)取得的經(jīng)驗(yàn)，盡可能控制實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)因素，以期提高凝點(diǎn)測試的準(zhǔn)確性，使測試結(jié)果能反映出原油的真實(shí)性質(zhì)。